DE102017223892A1 - Process for the preparation of a functionalized semiconductor or conductor material and its use - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von funktionalisiertem Halbleiter- oder Leitermaterial aus einem geschichtet strukturierten Grundmaterial durch elektrolytische Exfolierung, in einer Elektrolysezelle, umfassend mindestens ein Elektrodenpaar aus erster und zweiter Elektrode, und eine wässrige und/oder alkoholische Elektrolytlösung, enthaltend Schwefelsäure und/oder mindestens ein Salz, ausgewählt aus Sulfat- und/oder Hydrogensulfat- und/oder Perchlorat- und/ oder Persulfat-Salz.The invention relates to a method for producing functionalized semiconductor or conductor material from a layered base material by electrolytic exfoliation, in an electrolytic cell, comprising at least one electrode pair of first and second electrodes, and an aqueous and / or alcoholic electrolyte solution containing sulfuric acid and / or at least one salt selected from sulfate and / or hydrogen sulfate and / or perchlorate and / or persulfate salt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Funktionalisierung eines Halbleiter- oder Leitermaterials durch elektrolytische Exfolierung eines Grundmaterials und in-situ Funktionalisierung der dabei gebildeten Schichten und/oder Monolagen.The invention relates to a method for producing and functionalizing a semiconductor or conductor material by electrolytic exfoliation of a base material and in-situ functionalization of the layers and / or monolayers formed thereby.
Stand der TechnikState of the art
Die Isolierung einzelner Schichten zweidimensional strukturierter oder geschichteter Halbleiter- oder Leitermaterialien ist seit einigen Jahren von Interesse, nicht zuletzt, da die Verwendung dieser Materialien in elektronischen Bauteilen zu enormen Leistungssteigerungen und effizienten Anwendungen führt.The isolation of individual layers of two-dimensionally structured or layered semiconductor or conductor materials has been of interest for several years, not least because the use of these materials in electronic components leads to enormous increases in performance and efficient applications.
Ein Beispiel für eine solche isolierte Schicht eines zweidimensional strukturierten oder geschichteten Materials ist Graphen, welches eine Monolage, also eine einzelne, nur eine Atomlage dicke Schicht des Graphits, einer natürlich vorkommenden Erscheinungsform des Kohlenstoffs in Reinform, darstellt. Graphen bezeichnet aber auch Material, in dem einige dieser Monolagen übereinander geschichtet angeordnet sind.An example of such an isolated layer of a two-dimensionally structured or layered material is graphene, which is a monolayer, that is to say a single layer of graphite, only one atomic layer thick, of a naturally occurring form of the carbon in pure form. Graphene also refers to material in which some of these monolayers are stacked on top of each other.
Graphen kann als ein zweidimensionales Netzwerk aneinandergeketteter Benzolringe verstanden werden, welches u.a. eine enorme elektrische Leitfähigkeit aufweist. Durch seine elektronischen, thermischen, optischen und mechanischen Eigenschaften ist seine Verwendung auf vielen Gebieten der Technik von großem Interesse. Verfahren zur skalierbaren und effizienten Herstellung von qualitativ hochwertigem, möglichst aus der Lösung heraus prozessierbaren Leiter- und Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Graphen, sind deshalb Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten.Graphene can be understood as a two-dimensional network of contiguous benzene rings, which i.a. has an enormous electrical conductivity. Its electronic, thermal, optical and mechanical properties make it of great use in many fields of technology. Methods for the scalable and efficient production of high-quality conductor and semiconductor materials that can be processed as far as possible from the solution, such as graphene, are therefore the subject of intensive research.
Die Herstellung von beispielsweise Graphen erfolgt dabei unter teilweise schwierigen Prozessbedingungen, da im Labormaßstab mit hochsiedenden Lösungsmitteln wie DMF und NMP gearbeitet wird. Ein Up-Scaling in einen industriellen Maßstab ist damit äußerst problematisch und verhinderte bisher die großtechnische Herstellung und Anwendung dieses Materials.The production of, for example, graphene is carried out under sometimes difficult process conditions, since work is carried out on a laboratory scale with high-boiling solvents such as DMF and NMP. An upscaling to an industrial scale is thus extremely problematic and hitherto prevented the large-scale production and application of this material.
Eine weitere Herausforderung stellt die Lagerung des frisch hergestellten Graphens dar, da dieses nach einer Trocknung nur noch schwer redispergierbar und die Prozessierbarkeit der Material-Monolagen bzw. Oligolagen enorm erschwert ist.Another challenge is the storage of freshly prepared graphene, as this is difficult to redispersible after drying and the processability of the material monolayers or oligolayers is enormously difficult.
Eine der bedeutendsten, aber bisher noch wenig verbreitete Technologie zur Herstellung von Monolagen oder dünnen Schichten von Leitermaterialien wie Graphen ist die elektrolytische Exfolierung von zweidimensional, geschichtet strukturiertem Grundmaterial, wie beispielsweise Graphit.One of the most important, but hitherto little-used technology for the production of monolayers or thin layers of conductor materials such as graphene is the electrolytic exfoliation of two-dimensional, layered structured base material, such as graphite.
Die Exfolierung von Graphit zur Herstellung von Graphen, beispielsweise in Form von Flakes oder Flocken stellt eine kostengünstige und verlässliche Strategie zu dessen Gewinnung dar.The exfoliation of graphite to produce graphene, for example in the form of flakes or flakes, represents a cost-effective and reliable strategy for its recovery.
Graphen Schichten als Flocken wurden bereits erfolgreich aus Graphit als Grundmaterial in festem Zustand (siehe beispielsweise i)
Auch durch die Reduktion von Graphenoxid, welches beispielsweise durch die sogenannte Hummers Methode (W.S. Hummers et al. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 6, 1339) hergestellt werden kann, wurde Graphen erfolgreich hergestellt.Graphene has also been successfully prepared by the reduction of graphene oxide, which can be prepared, for example, by the so-called Hummers method (W.S.Hummers et al., J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 6, 1339).
Graphenoxid ist hervorragend dispergierbar in einer Vielzahl von Lösungsmittel, insbesondere auch Wasser, was die Umsetzung einer Anwendung in größerem Maßstab stark erleichtert. Auch ist es nach kompletter Trocknung wieder redispergierbar.Graphene oxide is highly dispersible in a variety of solvents, particularly water, which greatly facilitates the implementation of a larger scale application. It is also redispersible after complete drying.
Nachteilig verbleiben bei den Reduktionsmethoden jedoch stets Oxidgruppen und weitere Defekte, wie Löcher oder nicht sechs-zählige Ringe innerhalb des Materials. Diese strukturellen Defekte führen zu starken Einschränkungen der elektronischen und thermischen Eigenschaften des aus Graphenoxid erzeugten Graphens (
Die sogenannte Flüssigphasen-Exfolierung von Graphit nutzt rein physikalische Scherkräfte in vor allem organischen Lösungsmitteln und ermöglicht eine Herstellung von Graphen mit deutlich weniger Defekten (siehe beispielsweise a)
Zudem neigen die kleinen Materialplättchen dazu, sich nach der Exfolierung wieder zusammenzulagern (zu stapeln). Der Einsatz von Tensiden oder anderen Additiven zur Verhinderung dieses Effekts ist damit unvermeidlich. Diese Additive sind jedoch schwer wieder zu entfernen und verringern die Leitfähigkeit des Produktes erheblich.In addition, the small flakes of material tend to re-aggregate (stack) after exfoliation. The use of surfactants or other additives to prevent this effect is therefore inevitable. However, these additives are difficult to remove and significantly reduce the conductivity of the product.
Die Anodische Exfolierung hat sich kürzlich als sehr vielversprechende Methode etabliert, um Graphen in hoher Qualität in großen Maßstäben, bei niedrigen Kosten und in wässriger Lösung herzustellen.Anodic exfoliation has recently become a very promising method for producing high quality graphene on a large scale, at low cost and in aqueous solution.
Das zweidimensional strukturierte Grundmaterial kann dabei entweder als Anode in wässrigen Lösungen ionischer Flüssigkeiten (siehe beispielsweise
Nachteilig enthält das so hergestellte Graphen jedoch hohe Anteile an Sauerstoffgruppen. Grund dafür sind Sauerstoffradikale wie HO· Oder O·, die während des Herstellungsprozesses durch die Spaltung von Wasser gebildet werden und an die Graphenschichten addieren (siehe
Weiterhin problematisch ist die Durchführung des Verfahrens in hochsiedenden Lösungsmitteln wie DMF oder NMP. Zudem haften die exfolierten Schichten nach der Trocknung wieder zusammen und es ist schwierig, sie zu redispergieren.Another problem is the implementation of the method in high-boiling solvents such as DMF or NMP. In addition, the exfoliated layers cling together after drying and it is difficult to redisperse them.
Eine Möglichkeit, die Dispergierbarkeit der Graphenschichten zu erhöhen, ist die Funktionalisierung der Graphenlagen mit kleinen Molekülen oder Polymeren.One way to increase the dispersibility of graphene layers is to functionalize graphene sheets with small molecules or polymers.
Frühere Arbeiten beschäftigten sich mit der kathodischen Exfolierung von Graphit in organischen Lösungsmitteln und der gleichzeitig ablaufenden, in-situ-Funktionalisierung der Graphenschichten mit Diazoniumsalzen (siehe u.a. (a) Ejigu, A.; Kinloch, I. A.; Dryfe, R. A. W., Single Stage Simultaneous Electrochemical Exfoliation and Functionalization of Graphene. ACS Applied Materials & Interfaces 2017, 9 (1), 710-721; (b) Zhong, Y. L.; Swager, T. M., Enhanced Electrochemical Expansion of Graphite for in Situ Electrochemical Functionalization. Journal of the American Chemical Society 2012, 134 (43), 17896-17899; (c) Ossonon, B. D.; Belanger, D., Functionalization of graphene sheets by the diazonium chemistry during electrochemical exfoliation of graphite. Carbon 2017, 111, 83-93.)
Die Diazoniumsalze generieren freie Radikale und funktionalisieren die Oberfläche durch eine Reduktionsreaktion an der Kathode.Previous work has focused on the cathodic exfoliation of graphite in organic solvents and the concurrent in situ functionalization of the graphene layers with diazonium salts (see, inter alia, (a) Ejigu, A. Kinloch, IA; Dryfe, RAW, Single Stage Simultaneous Electrochemical Exfoliation and Functionalization of Graphenes ACS Applied Materials & Interfaces 2017, 9 (1), 710-721; (b) Zhong, YL; Swager, TM, Enhanced Electrochemical Expansion of Graphite for In Situ Electrochemical Functionalization. Journal of the American Chemical Society 2012, 134 (43), 17896-17899; (c) Ossonon, BD; Belanger, D., Functionalization of graphene sheets by the diazonium chemistry during electrochemical exfoliation of graphite., Carbon 2017, 111, 83-93.)
The diazonium salts generate free radicals and functionalize the surface through a reduction reaction at the cathode.
Weitere Publikationen beschäftigen sich mit der anodischen Exfolierung von Graphit unter Verwendung verschiedener organischer Salze als Elektrolyt wie Phytinsäure (
Diese Publikationen beschreiben die Interkalation des Salzes zwischen die einzelnen Schichten des Graphits und die Funktionalisierung der Schichten durch p-p-Wechselwirkungen.These publications describe the intercalation of the salt between the individual layers of the graphite and the functionalization of the layers by p-p interactions.
Die so funktionalisierten Graphenschichten zeigen hohe ID/IG Verhältnisse im RAMAN Spektrum. Die Leitfähigkeit der Schichten und ihre Dispergierbarkeit wird nicht betrachtet.
In einigen Beispielen wird die Verwendung des funktionalisierten Graphens als Elektrodenmaterial in Batterien oder Superkondensatoren beschrieben.
Andere Veröffentlichungen zeigen die Exfolierung von Graphit mit gemischten Elektrolyten wie Ammoniumsulfat/Ammoniak oder Glycin und Ammoniak. Auch Na2S2O3/ H2SO4 Systeme und Kaliumhalogenide wurden verwendet, um das Graphen mit Heteroatomen oder Halogenen zu dotieren.The functionalized graphene layers show high I D / I G ratios in the RAMAN spectrum. The conductivity of the layers and their dispersibility is not considered.
In some examples, the use of functionalized graphene as electrode material in batteries or supercapacitors is described.
Other publications show the exfoliation of graphite with mixed electrolytes such as ammonium sulfate / ammonia or glycine and ammonia. Also, Na 2 S 2 O 3 / H 2 SO 4 systems and potassium halides were used to dope the graph with heteroatoms or halogens.
Chen et al. (Chen, C. H. et al. Nanoscale, 2015, 7, 15362 - 15373) publizierten eine Methode zur Herstellung von hochkristallinem Graphen durch elektrolytische Exfolierung in 0,65 M Schwefelsäure unter der Zugabe von Melamin in hohen Konzentrationen von 10 bis 200 g/ 100 ml Elektrolytlösung. Bei Spannungen von 20 V werden mit einer periodischen Umkehr der Polarität mit einer Periode von 10 min, Graphenschichten von der Graphitelektrode exfoliert und mit Melaminmolekülen behaftet. Diese in-situ aufgebrachten Schutzschichten verhindern eine weitere Oxidation der Graphenschicht und führen so zu größeren Graphen-Kristalliten. Das verbleibende Melamin wird anschließend vom gesammelten Graphen mit Wasser abgewaschen welches nach Trocknung ein hohes C/O Verhältnis von 26,17 zeigt, das heißt, eine geringe Defektdichte an Sauerstoffdefekten. Die Autoren gehen hierbei davon aus dass es nicht zu einer kovalenten Funktionalisierung der Graphenplättchen kommt. Das so hergestellte Graphen ist gut in DMF oder NMP dispergierbar. Angegeben ist u.a. die Verwendung einer Dispersion von Graphen in DMF zur Prozessierung auf Quartzsubstraten.Chen et al. (Chen, CH et al., Nanoscale, 2015, 7, 15362-15373) published a method for producing highly crystalline graphene by electrolytic exfoliation in 0.65 M sulfuric acid with the addition of melamine in high concentrations of 10 to 200 g / 100 ml electrolyte solution. At voltages of 20 V, graphene layers are exfoliated from the graphite electrode with a periodic reversal of the polarity with a period of 10 minutes and afflicted with melamine molecules. These in-situ applied protective layers prevent further oxidation of the graphene layer and thus lead to larger graphene crystallites. The remaining melamine is then washed off the collected graphene with water, which after drying shows a high C / O ratio of 26.17, that is, a low defect density of oxygen defects. The authors assume that there is no covalent functionalization of the graphene platelets. The graphene thus prepared is readily dispersible in DMF or NMP. Specified is u.a. the use of a dispersion of graphene in DMF for processing on quartz substrates.
Eine weitere Möglichkeit zu Herstellung von funktionalisiertem Graphen ist die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten, also Salzen, die bei Temperaturen unter 100°C flüssig sind, ohne dass das Salz dabei in einem Lösungsmittel wie Wasser gelöst ist.
Eine Publikation von Liu et al. (Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 1518 - 1525) beschreibt die elektrolytische Exfolierung von Graphit in einer wässrigen Elektrolytlösung, enthaltend ionische Flüssigkeiten. Die Kationen der ionischen Flüssigkeiten interkalieren zwischen die einzelnen Schichten des Graphit und treiben diese so auseinander. In diesem Fall wurde als ionische Flüssigkeit ein Imidazolium hexafluorophosphat verwendet. XPS Messungen ergaben, dass die zwei Stickstoffatome der Imidazoliumgruppe mit der Oberfläche des Graphen interagieren und so das Salz an das Graphen binden. Das so funktionalisierte Graphen ist nicht in Wasser, jedoch in aprotischen Lösungsmittel, wie DMF oder NMP dispergierbar.Another possibility for producing functionalized graphene is the use of ionic liquids, ie salts which are liquid at temperatures below 100 ° C., without the salt being dissolved in a solvent such as water.
A publication by Liu et al. (Adv. Funct., Mater., 2008, 18, 1518-1525) describes the electrolytic exfoliation of graphite in an aqueous electrolyte solution containing ionic liquids. The cations of the ionic liquids intercalate between the individual layers of the graphite and thus drive them apart. In this case, an imidazolium hexafluorophosphate was used as the ionic liquid. XPS measurements revealed that the two nitrogen atoms of the imidazolium group interact with the surface of the graphene and thus bind the salt to the graphene. The thus functionalized graphene is not dispersible in water but in aprotic solvents such as DMF or NMP.
Von Ouhib et al wurde 2014 eine Methode zur Herstellung von funktionalisiertem Graphen aus wenigen Schichten publiziert (Ouhib et al. J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15298). Hochgeordnetes pyrolytisches Graphit (HOPG) wurde dazu als Kathode in eine Elektrolysezelle mit einem Elektrolyten, enthaltend ein Ammoniumsalz und Vinylmonomere, eingebracht und Graphenschichten exfoliert. Parallel dazu erfolgte die Elektropolymerisation der Vinylmonomere, wobei sich eine chemisorbierte Polymerschicht um die Graphenschichten bildete. Nachteilig erfolgte die Elektrolyse wiederum in wasserfreien, hochsiedenden organischen Lösungsmitteln wie DMF und die Exfolierung findet nur mit Hilfe einer Ultraschallbehandlung statt. Die kathodische Exfolierung sorgt außerdem dafür, dass keine Monolagen von Graphen gebildet werden können, es sich vielmehr um Graphit Nanoplatelets mit >20 bis 50 Atomlagen handelt, wie im Raman Spektrum der Probe in
Eine Methode, die exfolierten Schichten von Leiter- oder Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Graphen, zu funktionalisieren, um sie vor der Anlagerung von HydroxylRadikalen zu schützen und gleichzeitig die Dispergierbarkeit der Schichten in umweltfreundlichen Lösungsmitteln ohne den Zusatz von oberflächenaktiven Additiven zu erhöhen, ist aus dem Stand der Technik bisher nicht bekannt. One way to functionalize the exfoliated layers of conductor or semiconductor materials, such as graphene, to protect them from the addition of hydroxyl radicals while increasing the dispersibility of the layers in environmentally friendly solvents without the addition of surfactant additives is not known the technique is not known yet.
Aufgabe der Erfindung die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von funktionalisierten Halbleiter- oder Leitermaterialien durch elektrolytische Exfolierung in umweltfreundlichen und im industriellen Maßstab einfach einsetzbaren Lösungsmitteln bei gleichzeitiger Funktionalisierung der Monolagen oder dünnen Schichten des Materials zur besseren Dispergierbarkeit und einfachen Prozessierung.Object of the invention to provide a process for the production of functionalized semiconductor or conductor materials by electrolytic exfoliation in environmentally friendly and industrially easy to use solvents while functionalizing the monolayers or thin layers of the material for better dispersibility and ease of processing.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von funktionalisierten Halbleiter- oder Leitermaterialien aus einem geschichtet strukturierten Grundmaterial durch elektrolytische Exfolierung, in einer Elektrolysezelle, umfassend mindestens ein Elektrodenpaar aus erster und zweiter Elektrode, und eine wässrige und/oder alkoholische Elektrolytlösung, enthaltend Schwefelsäure und/oder mindestens ein Sulfat- und/oder Hydrogensulfatsalz und/oder ein Perchlorat und/ oder ein Persulfat,
mit den Schritten:
- a) Inkontaktbringen der Elektroden mit der Elektrolytlösung,
- b) Elektrolytische Exfolierung des Grundmaterials, beispielsweise in Form von Partikeln aus funktionalisiertem Leiter- oder Halbleitermaterial, durch Anlegen einer Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode,
- c) Abtrennen des funktionalisierten Halbleiter- oder Leitermaterials von der Elektrolytlösung,
wobei mindestens die erste der Elektroden des Elektrodenpaares das geschichtet strukturierte, kohlenstoffbasierte Grundmaterial enthält, wobei die erste Elektrode als Anode geschaltet ist, wobei der Elektrolytlösung vor und/oder, während und/oder unmittelbar nach der elektrolytischen Exfolierung mindestens eine organische Verbindung zugegeben wird, wobei die organische Verbindung ausgewählt ist aus
- i) Anodisch oxidierbaren, organischen Molekülen, enthaltend mindestens eine Alkohol- und/oder mindestens eine Amino- und/oder mindestens eine Carboxylgruppe und/oder,
- ii) organischen Molekülen enthaltend mindestens eine Isocyanat- und/oder mindestens eine Halogenid- und/oder mindestens eine Epoxid- und/oder mindestens eine Diazonium- und/oder mindestens eine Peroxid- und/oder mindestens eine Azidgruppe und/oder cyclische Esther und/oder cyclische Amide und/oder,
- iii) und/oderPräkursoren oder Monomeren elektrisch leitender Polymere und/oder
- iv) frei radikal polymerisierbaren, wasserlöslichen Vinyl-Monomeren, welche in ihrer Struktur wenigstens eine Aminogruppe (bspw. Isopropylacrylamid) und/oder eine anionische funktionelle Gruppe (bspw. SO3 -, NO2 -, CO2 -2, PO3 -3, O-) aufweisen bspw. Styrensulfonat).
with the steps:
- a) contacting the electrodes with the electrolyte solution,
- b) electrolytic exfoliation of the base material, for example in the form of particles of functionalized conductor or semiconductor material, by applying a voltage between the first and second electrodes,
- c) separating the functionalized semiconductor or conductor material from the electrolyte solution,
wherein at least the first of the electrodes of the electrode pair contains the layered carbon-based base material, wherein the first electrode is connected as an anode, wherein at least one organic compound is added to the electrolyte solution before and / or during and / or immediately after the electrolytic exfoliation the organic compound is selected from
- i) anodically oxidizable organic molecules containing at least one alcohol and / or at least one amino and / or at least one carboxyl group and / or
- ii) organic molecules containing at least one isocyanate and / or at least one halide and / or at least one epoxide and / or at least one diazonium and / or at least one peroxide and / or at least one azide group and / or cyclic esters and / or or cyclic amides and / or
- iii) and / or precursors or monomers of electrically conductive polymers and / or
- iv) free radically polymerizable water-soluble vinyl monomers, which in its structure at least one amino group (for example isopropyl) and / or an anionic functional group (e.g. SO 3 -.., NO 2 -, CO 2 -2, PO 3 -3 , O - ) have, for example, styrene sulfonate).
Im Sinne der Erfindung ist ein Leiter- oder Halbleiter-Material ein elektrisch leitendes Material mit einer hochgeordneten, geschichteten Struktur, bestehend aus einer Monolage des Materials oder aus mehreren übereinander angeordneten Lagen des Materials. Das Halbleiter-Material weist eine spezifische Bandlücke auf, die aus der Energiedifferenz zwischen dem Valenzband und Leitungsband gebildet wird.For the purposes of the invention, a conductor or semiconductor material is an electrically conductive material having a highly ordered, layered structure, consisting of a monolayer of the material or of a plurality of superimposed layers of the material. The semiconductor material has a specific bandgap formed from the energy difference between the valence band and conduction band.
Im Sinne der Erfindung bedeutet „funktionalisiert“, dass das Material mit funktionellen Gruppen oder Polymerketten beschichtet ist, die durch chemische Reaktion oder zumindest Chemisorption an der Oberfläche des Materials haften.For the purposes of the invention, "functionalized" means that the material is coated with functional groups or polymer chains which adhere to the surface of the material by chemical reaction or at least chemisorption.
In einer Ausführungsform ist das Halbleiter- oder Leitermaterial ein kohlenstoffbasiertes Material, das heißt, sein Grundgerüst enthält hauptsächlich Kohlenstoff.In one embodiment, the semiconductor or conductor material is a carbon-based material, that is, its backbone mainly contains carbon.
In einer Ausführungsform liegt das funktionalisierte Halbleiter- oder Leitermaterial in Form von Partikeln mit Abmessungen im Nanometer- bis Mikrometerbereich vor.In one embodiment, the functionalized semiconductor or conductor material is in the form of nanoscale to micrometer sized particles.
In einer Ausführungsform ist das Halbleiter- oder Leiter-Material ausgewählt aus Graphen, Graphenderivaten, kohlenstoffbasierten Halbleiter- oder Leiter-Polymeren und/oder geschichteten Chalcogeniden der allgemeinen Formel MQ2, wobei gilt M = Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo oder W und wobei gilt Q = O, S, Se oder Te.In one embodiment, the semiconductor or conductor material is selected from graphene, graphene derivatives, carbon-based semiconductor or ladder polymers, and / or layered chalcogenides of the general formula MQ 2 , where M = Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta , Mo or W and where Q = O, S, Se or Te.
In einer Ausführungsform ist das zweidimensional geschichtete strukturierte Grundmaterial ausgewählt aus halbleitenden oder leitenden Kohlenstoffmodifikationen, kohlenstoffbasierten Halbleiter- oder Leiter-Polymeren in Form von zweidimensional strukturiertem Grundmaterial und/oder geschichteten Chalcogeniden. In one embodiment, the two-dimensionally layered structured base material is selected from semiconductive or conductive carbon modifications, carbon-based semiconductor or conductor polymers in the form of two-dimensionally structured base material and / or layered chalcogenides.
In einer Ausführungsform sind die halbleitenden oder leitenden Kohlenstoffmodifikationen, ausgewählt aus Graphit, nicht-graphitischem Kohlenstoff, Kohlenstoffnanoschaum, Glaskohlenstoff, Ruß, Aktivkohle, Kohlenstofffasern, Teer- und Pech und deren Derivaten.In one embodiment, the semiconductive or conductive carbon modifications selected from graphite, non-graphitic carbon, carbon nanofoam, glassy carbon, carbon black, activated carbon, carbon fibers, tar and pitch, and derivatives thereof.
Graphit kann dabei natürlich vorkommendes oder synthetisch hergestelltes Graphit sein.Graphite can be naturally occurring or synthetically produced graphite.
Die Exfolierung des Halbleiter- oder Leitermaterials aus dem oder von dem zweidimensional, geschichtet strukturierten Grundmaterial erfolgt elektrolytisch in einer Elektrolysezelle, welche mindestens ein Elektrodenpaar enthält. Ein Elektrodenpaar umfasst eine erste Elektrode
In einer Ausführungsform enthält mindestens die erste Elektrode
Erfindungsgemäß ist die Elektrode
In einer Ausführungsform umfasst die zweite Elektrode ein Metall. In einer Ausführungsform ist das Metall ein Edelmetall ausgewählt aus Cu, Au, Ag, Pt, Pd.In an embodiment, the second electrode comprises a metal. In one embodiment, the metal is a noble metal selected from Cu, Au, Ag, Pt, Pd.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Metall ein nicht edles Metall oder eine Legierung ausgewählt aus Fe, Stahl, AI, Pb, Messing, Ti, Zn, Sn, Ni, Hg, Mg.In another embodiment, the metal is a non-noble metal or alloy selected from Fe, steel, Al, Pb, brass, Ti, Zn, Sn, Ni, Hg, Mg.
In einer Ausführungsform ist die metallhaltige Elektrode während der Exfolierung als Kathode geschalten.In one embodiment, the metal-containing electrode is connected as a cathode during exfoliation.
In einer Ausführungsform umfasst die zweite Elektrode ein nicht elementmetallisches leitfähiges Material. In einer Ausführungsform ist das nicht elementmetallische Material ausgewählt aus Graphit, Kohlenstoff und /oder aus leitfähigen Polymeren.In an embodiment, the second electrode comprises a non-elemental metallic conductive material. In one embodiment, the non-elemental metallic material is selected from graphite, carbon and / or conductive polymers.
In einer Ausführungsform ist die nicht elementmetallische Elektrode während der Exfolierung als Kathode geschalten.In one embodiment, the non-elemental metal electrode is connected as a cathode during exfoliation.
Erfindungsgemäß ist die Elektrolytlösung eine wässrige und/oder alkoholische LösungAccording to the invention, the electrolyte solution is an aqueous and / or alcoholic solution
In einer Ausführungsform ist die Lösung wässrig und alkoholisch, das heißt, sie enthält eine Mischung aus Wasser und Alkohol.In one embodiment, the solution is aqueous and alcoholic, that is, it contains a mixture of water and alcohol.
In einer Ausführungsform ist das Verhältnis Wasser/Alkohol 100:0 bis 0:100, bevorzugt 99:1 bis 1:99, besonders bevorzugt 20:80 bis 80:20.In one embodiment, the ratio of water / alcohol is 100: 0 to 0: 100, preferably 99: 1 to 1:99, more preferably 20:80 to 80:20.
In einer Ausführungsform umfasst der Alkohol nur eine alkoholische Komponente. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Alkohol mehrere, voneinander verschiedene alkoholische Komponenten.In one embodiment, the alcohol comprises only one alcoholic component. In another embodiment, the alcohol comprises a plurality of different alcoholic components.
In einer Ausführungsform ist der Alkohol ausgewählt aus Ethanol und/oder Ethylenglycol.In one embodiment, the alcohol is selected from ethanol and / or ethylene glycol.
Erfindungsgemäß enthält die Elektrolytlösung Schwefelsäure und/oder mindestens ein Salz, ausgewählt aus Sulfat- und/oder Hydrogensulfat- und/oder Perchlorat- und/ oder Persulfat-Salz.According to the invention, the electrolyte solution contains sulfuric acid and / or at least one salt selected from sulfate and / or hydrogen sulfate and / or perchlorate and / or persulfate salt.
Im Sinne der Erfindung umfasst das Salz entweder nur eine Salzkomponente oder eine Mischung mehrerer Salzkomponenten.For the purposes of the invention, the salt comprises either only one salt component or a mixture of several salt components.
In einer Ausführungsform ist das Salz ein anorganisches Salz.In one embodiment, the salt is an inorganic salt.
In einer Ausführungsform ist das anorganische Salz ausgewählt aus (NH4)2SO4 und/oder K2SO4 und/oder Na2SO4 und/oder KHSO4 und/oder NaHSO4 und/oder einem Persulfat.In one embodiment, the inorganic salt is selected from (NH 4 ) 2 SO 4 and / or K 2 SO 4 and / or Na 2 SO 4 and / or
In einer Ausführungsform ist das Salz ein organisches Salz. In einer Ausführungsform ist das organische Salz ausgewählt aus Tetraalkylammoniumsulfaten und/oder Tetraalkylammoniumhydrogensulfaten. In one embodiment, the salt is an organic salt. In one embodiment, the organic salt is selected from tetraalkylammonium sulfates and / or tetraalkylammonium hydrogen sulfates.
Das Kation des Salzes entspricht also der allgemeinen Formel NR4 +, mit R = H und/oder C1-bis C5-Alkyl, wobei alle R gleich oder voneinander verschieden sein können.
Im Schritt a) werden die Elektroden mit der Elektrolytlösung in Kontakt gebracht.The cation of the salt thus corresponds to the general formula NR 4 + , where R = H and / or C 1 to
In step a), the electrodes are brought into contact with the electrolyte solution.
In einer Ausführungsform werden die Elektroden in die Elektrolytlösung getaucht. In einer weiteren Ausführungsform wird die Elektrolytlösung zu den Elektroden in der Elektrolysezelle gegeben.In one embodiment, the electrodes are immersed in the electrolyte solution. In another embodiment, the electrolyte solution is added to the electrodes in the electrolytic cell.
Im Schritt b) erfolgt die elektrolytische Exfolierung des Grundmaterials durch Anlegen einer Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode.In step b), the electrolytic exfoliation of the base material by applying a voltage between the first and second electrode.
In einer Ausführungsform beträgt die Spannung 1 bis 30 V, bevorzugt 5 bis 15 V, besonders bevorzugt 8 bis 12 V, insbesondere 10 V.In one embodiment, the voltage is 1 to 30 V, preferably 5 to 15 V, particularly preferably 8 to 12 V, in particular 10 V.
Erfindungsgemäß enthält mindestens die erste Elektrode
Die Interkalation der Anionen des Elektrolyten führt zur Aufweitung des Abstands zwischen den Schichten, soweit, dass die zwischenmolekularen Kräfte überwunden werden können, sodass sich einzelne Schichten von der Elektrode abspalten. Somit erfolgt die Exfoliation einer Monolage oder Mehrfachlage oder einer dünnen Schicht des Grundmaterials von der Elektrode.The intercalation of the anions of the electrolyte leads to the widening of the distance between the layers, to such an extent that the intermolecular forces can be overcome so that individual layers separate from the electrode. Thus, the exfoliation of a monolayer or multiple layer or a thin layer of the base material from the electrode occurs.
Diese Monolagen oder Mehrfachlagen oder Schichten des Grundmaterials werden in situ mit der in der Elektrolytlösung enthaltenen oder zugegebenen organischen Verbindung beschichtet bzw. funktionalisiert.These monolayers or multiple layers or layers of the base material are coated or functionalized in situ with the organic compound contained or added in the electrolytic solution.
Erfindungsgemäß wird der Elektrolytlösung vor und/oder während und/oder nach der elektrolytischen Exfolierung mindestens eine organische Verbindung zugegeben.According to the invention, at least one organic compound is added to the electrolyte solution before and / or during and / or after the electrolytic exfoliation.
Erfindungsgemäß ist die mindestens eine organische Verbindung ausgewählt aus
- i) Anodisch oxidierbaren, organischen Molekülen, enthaltend mindestens eine Alkohol- und/oder mindestens eine Amino- und/oder mindestens eine Carboxylgruppe und/oder,
- ii) organischen Molekülen enthaltend mindestens eine Isocyanat- und/oder mindestens eine Halogenid- und/oder mindestens eine Epoxid- und/oder mindestens eine Diazonium- und/oder mindestens eine Peroxid- und/oder mindestens eine Azidgruppe und/oder cyclische Esther und/oder cyclische Amide und/oder,
- iii) und/oderPräkursoren oder Monomeren elektrisch leitender Polymere und/oder
- iv) frei radikal polymerisierbaren, wasserlöslichen Vinyl-Monomeren, welche in ihrer Struktur mindestens eine Aminogruppe (bspw. Isopropylacrylamid) und/oder mindestens eine anionische funktionelle Gruppe (bspw. SO3 -, NO2 -, CO2 -2, PO3 -3, O-) aufweisen bspw. Styrensulfonat).
- i) anodically oxidizable organic molecules containing at least one alcohol and / or at least one amino and / or at least one carboxyl group and / or
- ii) organic molecules containing at least one isocyanate and / or at least one halide and / or at least one epoxide and / or at least one diazonium and / or at least one peroxide and / or at least one azide group and / or cyclic esters and / or or cyclic amides and / or
- iii) and / or precursors or monomers of electrically conductive polymers and / or
- iv) free-radically polymerizable, water-soluble vinyl monomers which have in their structure at least one amino group (for example isopropylacrylamide) and / or at least one anionic functional group (for example SO 3 - , NO 2 - , CO 2 -2 , PO 3 - 3 , O - ) have, for example, styrene sulfonate).
Die Varianten i) bis iv) lassen sich dabei beliebig miteinander kombinieren.The variants i) to iv) can be combined as desired.
Erfindungsgemäß ist die mindestens eine organische Verbindung in Variante i) ausgewählt aus Anodisch oxidierbaren, organischen Molekülen, enthaltend mindestens eine Alkohol- und/oder mindestens eine Amino- und/oder mindestens eine Carboxylgruppe (siehe Tabelle 1)According to the invention, the at least one organic compound in variant i) is selected from anodic oxidizable, organic molecules containing at least one alcohol and / or at least one amino and / or at least one carboxyl group (see Table 1)
In wässriger Lösung liegen die Alkohol- und/oder Amino- und/oder Carboxylgruppen im Gleichgewicht mit ihrer deprotonierten, das heißt anionischen Form vor.In aqueous solution, the alcohol and / or amino and / or carboxyl groups are in equilibrium with their deprotonated, ie anionic form.
Durch das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden
Diese Radikale reagieren mit der Oberfläche des Halbeiter- und/oder Leitermaterials und funktionalisieren dieses, indem sie eine Beschichtung aus Molekülen bilden.These radicals react with the surface of the semiconductor and / or conductor material and functionalize it by forming a coating of molecules.
In einer Ausführungsform sind die organischen Moleküle ausgewählt aus primären und/oder sekundären Aminen und/oder Carbonsäuren und/oder Alkoholen.In one embodiment, the organic molecules are selected from primary and / or secondary amines and / or carboxylic acids and / or alcohols.
Erfindungsgemäß ist die mindestens eine organische Verbindung in Variante ii) ausgewählt aus organischen Molekülen enthaltend mindestens eine Isocyanat- und/oder mindestens eine Halogenid- und/oder mindestens eine Epoxid- und/oder mindestens eine Diazonium- und/oder mindestens eine Peroxid- und/oder mindestens eine Azidgruppe und/oder cyclische Esther und/oder cyclische AmideAccording to the invention, the at least one organic compound in variant ii) is selected from organic molecules containing at least one isocyanate and / or at least one halide and / or at least one epoxide and / or at least one diazonium and / or at least one peroxide and / or or at least one azide group and / or cyclic esters and / or cyclic amides
Je nach Funktionalität der Moleküle erfolgt die Zugabe der organischen Verbindung in Variante i) bevorzugt vor und/oder während oder/oder unmittelbar nach der elektrolytischen Exfolierung.
Tabelle 1
Erfindungsgemäß ist die organische Verbindung in Variante ii) ausgewählt aus organischen Molekülen enthaltend mindestens eine Isocyanat- und/oder mindestens eine Halogenid- und/oder mindestens eine Epoxid- und/oder mindestens eine Diazonium- und/oder mindestens eine Peroxid- und/oder mindestens eine Azidgruppe und/oder cyclische Esther und/oder cyclische AmideAccording to the invention, the organic compound in variant ii) is selected from organic molecules containing at least one isocyanate and / or at least one halide and / or at least one epoxide and / or at least one diazonium and / or at least one peroxide and / or at least an azide group and / or cyclic esters and / or cyclic amides
In einer Ausführungsform erfolgt die Zugabe der organischen Verbindung in Variante ii) unmittelbar nach der elektrolytischen Exfolierung des Halbeleiter- oder Leitermaterials.In one embodiment, the addition of the organic compound in variant ii) takes place immediately after the electrolytic exfoliation of the semiconductor or conductor material.
In Tabelle 2 sind Stoffgruppen von, organischen Verbindungen nach Variante ii), der Zeitpunkt ihrer Zugabe und ausgewählte Beispiele der Stoffgruppen aufgeführt, (siehe Tabelle 2).Table 2 lists the substance groups of, organic compounds according to variant ii), the time of their addition and selected examples of the substance groups (see Table 2).
Die Reste R sind, allgemein organische Verbindungen, die jeweils mindestens eine der in der Tabelle angegebenen funktionellen Gruppen aufweisen. Die bevorzugte Ausgestaltung der Reste R (aromatisch und/oder aliphatisch) ist in der Tabelle 1 in der Spalte „funktionelle Gruppe“ angegeben.
Tabelle 2
Erfindungsgemäß ist die organische Verbindung in Variante iii) ausgewählt aus anodisch bzw. oxidativ polymerisierbaren Präkursoren oder Monomeren elektrisch leitfähiger Polymere.According to the invention, the organic compound in variant iii) is selected from anodically or oxidatively polymerizable precursors or monomers of electrically conductive polymers.
In einer Ausführungsform sind die Präkursoren oder Monomere der elektrisch leitenden Polymere in Variante iii) ausgewählt aus aromatischen Aminen, Anilin, Pyrrol, Thiophen und / oder deren DerivatenIn one embodiment, the precursors or monomers of the electrically conductive polymers in variant iii) are selected from aromatic amines, aniline, pyrrole, thiophene and / or derivatives thereof
In einer Ausführungsform sind die elektrisch leitenden Polymere in Variante iii) ausgewählt aus substituierten und/ oder unsubstituierten Polyanillinen, Polypyrrolen, und / oder Polythiophenen.In one embodiment, the electrically conductive polymers in variant iii) are selected from substituted and / or unsubstituted polyanilines, polypyrroles, and / or polythiophenes.
In einer Ausführungsform ist ein substituiertes Polyanilin sulfoniertes Polyanilin.In one embodiment, a substituted polyaniline is sulfonated polyaniline.
Die Funktionalisierung des Leiter- oder Halbleitermaterials erfolgt mit den Verbindungen nach Variante iii) durch oxidative Polymerisation.The functionalization of the conductor or semiconductor material is carried out with the compounds according to variant iii) by oxidative polymerization.
Genauso wie bei der Funktionalisierung mit kleinen organischen anodisch oxidierbaren Molekülen interkalieren während der Elektrolyse zunächst die Anionen des Elektrolyten zwischen die einzelnen Schichten des Grundmaterials und treiben diese auseinander, bis sie sich abspalten. Parallel dazu werden die Monomere oder Präkusoren der elektrisch leitfähigen Polymere anodisch oxidiert, das heisst, ein Elektron abstrahiert, sodass sich Radikalkationen bilden. Diese reagieren mit der Oberfläche des exfolierten Halbeiter- oder Leitermaterials und polymerisieren dort weiter. Dadurch bildet sich eine Polymerbeschichtung auf den Mono- und/oder Mehrfachlagen oder Schichten des Leitermaterials und funktionalisiert diese.As in the case of functionalization with small organic anodic oxidizable molecules, the anions of the electrolyte first intercalate between the individual layers of the base material during electrolysis and drive them apart until they split off. In parallel, the monomers or precursors of the electrically conductive polymers are anodically oxidized, that is, an electron is abstracted to form radical cations. These react with the surface of the exfoliated semiconductor or conductor material and continue to polymerize there. This forms a polymer coating on the mono- and / or multiple layers or layers of the conductor material and functionalizes them.
In einer Ausführungsform erfolgt die Zugabe von anodisch bzw. oxidativ polymerisierbaren Präkursoren oder Monomeren elektrisch leitfähiger Polymere unmittelbar nach der elektrochemischen Exfolierung von Halbleiter- oder Leitermaterial.In one embodiment, the addition of anodically or oxidatively polymerizable precursors or monomers of electrically conductive polymers takes place immediately after the electrochemical exfoliation of semiconductor or conductor material.
Der vorgeschlagene Mechanismus zur Funktionalisierung unmittelbar oder direkt nach der Exfolierung ist in
Erfindungsgemäß ist die organische Verbindung in Variante iv) ausgewählt aus frei radikal polymerisierbaren, wasserlöslichen Vinyl-Monomeren, welche in ihrer Struktur wenigstens eine Aminogruppe und/oder eine anionische funktionelle Gruppe aufweisen (Tabelle 3). According to the invention, the organic compound in variant iv) is selected from free-radically polymerizable, water-soluble vinyl monomers which have in their structure at least one amino group and / or one anionic functional group (Table 3).
In einer Ausführungsform ist die anionische funktionelle Gruppe ausgewählt aus SO3 -, NO2 -, CO2 -2, PO3 -3, O- (bspw. Isopropylacrylamid oder Styrensulfonat).
Tabelle 3
In Variante iv) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die freie radikalische Polymerisation der wasserlöslichen Vinyl-Monomere.In variant iv) of the process according to the invention, the free radical polymerization of the water-soluble vinyl monomers takes place.
Vinylmonomere würden, basierend auf der Reduktionsreaktion der Vinylgruppe, normalerweise an der Kathode polymerisieren (Mechanismus der anionischen Polymerisation). Für derartige Reaktionen werden typischerweise im Stand der Technik wasserfreie organische Lösungsmittel unter Schutzgasatmosphäre eingesetzt.Vinyl monomers would normally polymerize at the cathode based on the vinyl group reduction reaction (anionic polymerization mechanism). For such reactions typically anhydrous organic solvents are used in a protective gas atmosphere in the prior art.
Wenn solche Monomere jedoch funktionelle Gruppen enthalten, welche schneller oxidieren als die Vinylgruppe reduziert wird, oder wenn sie anionische Gruppen wie SO3 -, NO2 -, CO2 -, PO3 - enthalten, bewegen sie sich zur Anode und können, aktiviert durch freie Radikale aus der Wasserspaltung, eine freie radikalische Polymerisation durchführen (siehe
Diese Art der Polymerisation ist beispielsweise für Monomere wie Isopropylacrylamid und Vinylmonomere (siehe beispielsweise
Überraschend zeigte sich, dass die Polymerisation in Gegenwart des exfolierten Leiter- oder Halbleitermaterials zu Polymer-funktionalisiertem Leiter- oder Halbleitermaterial führte. Surprisingly, it was found that the polymerization in the presence of the exfoliated conductor or semiconductor material led to polymer-functionalized conductor or semiconductor material.
Im Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das funktionalisierte Halbleiter- oder Leitermaterial, beispielsweise in Form von Partikeln, aus der Elektrolytlösung abgetrennt. Dem Fachmann sind Trennmethoden bekannt.In step c) of the method according to the invention, the functionalized semiconductor or conductor material, for example in the form of particles, is separated from the electrolyte solution. The person skilled in separation methods are known.
In einer Ausführungsform wird das funktionalisierte Material nach der Abtrennung getrocknet. In one embodiment, the functionalized material is dried after separation.
In einer Ausführungsform wird das funktionalisierte Material nach der Abtrennung getrocknet und/oder dispergiert.In one embodiment, the functionalized material is dried and / or dispersed after separation.
Die Herstellung von höher konzentrierten und stabilen Dispersionen ist aus dem Stand der Technik bisher nur unter dem Einsatz von Additiven, wie beispielsweise Tensiden, möglich. Mit Tensiden können nahezu beliebig hohe Füllstoffgehalte der Dispersionen in verschiedenen Lösungsmitteln oder Medien eingestellt werden.The preparation of highly concentrated and stable dispersions is hitherto possible from the prior art only with the use of additives, such as, for example, surfactants. With surfactants almost arbitrarily high filler contents of the dispersions can be adjusted in different solvents or media.
Tenside wirken sich allerdings nachteilig auf Wechselwirkungen mit der Matrix aus (bspw. in Polymerkompositen) und verringern die Leitfähigkeit und Stabilität der aufgebrachten Halbleiter- oder Leiterschichten, beispielsweise in Print-Anwendungen. Die Tenside müssen hierbei in einem aufwändigen Prozess nachträglich ausgewaschen oder thermisch entfernt werden. Das erschwert die Prozessierung und ist zudem noch äußert kosten- und energieintensiv.However, surfactants have an adverse effect on interactions with the matrix (for example in polymer composites) and reduce the conductivity and stability of the applied semiconductor or conductor layers, for example in print applications. The surfactants must be subsequently washed out in a complex process or thermally removed. This complicates the processing and is also extremely cost and energy intensive.
Vorteilhaft ist die Dispergierung des erfindungsgemäß funktionalisierten Materials nicht nur in organischen, wasserfreien, sondern insbesondere auch in wässrigen Lösungsmitteln ohne den Zusatz von Tensiden möglich.Advantageously, the dispersion of the inventively functionalized material is possible not only in organic, anhydrous, but in particular in aqueous solvents without the addition of surfactants.
Vorteilhaft ist die Dispergierung nicht nur in Lösungsmitteln, sondern auch in einem breiten Spektrum an Reaktanden, beispielsweise Polymerisationspräkusoren, Epoxiden, Silikonen ohne den Einsatz von Additiven wie Tensiden möglich.Advantageously, the dispersion is possible not only in solvents, but also in a wide range of reactants, for example Polymerisationspräkusoren, epoxies, silicones without the use of additives such as surfactants.
Die erfindungsgemäß hergestellten Dispersionen sind auch ohne den Zusatz von solchen Additiven über einen langen Zeitraum stabil und können einfach prozessiert werden, was beispielsweise in der Beschichtung von Substraten mit dem funktionalisieren Leiter- oder Halbleitermaterial von Vorteil ist.The dispersions prepared according to the invention are stable even without the addition of such additives over a long period of time and can be easily processed, which is advantageous, for example, in the coating of substrates with the functionalized conductor or semiconductor material.
In einer Ausführungsform erfolgt die Dispergierung in einem Lösungsmittel ausgewählt aus Wasser und/oder Alkoholen.In one embodiment, the dispersion is carried out in a solvent selected from water and / or alcohols.
In einer Ausführungsform ist das Lösungsmittel wässrig und alkoholisch, das heißt, es enthält eine Mischung aus Wasser und Alkohol.In one embodiment, the solvent is aqueous and alcoholic, that is, it contains a mixture of water and alcohol.
In einer Ausführungsform ist das Volumen-Verhältnis Wasser/ Alkohol 0:100 bis 100: 0, bevorzugt 99:1 bis 1:99, besonders bevorzugt 80:20 bis 20:80.In one embodiment, the volume ratio of water / alcohol is 0: 100 to 100: 0, preferably 99: 1 to 1:99, particularly preferably 80:20 to 20:80.
In einer Ausführungsform umfasst der Alkohol nur eine alkoholische Komponente. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Alkohol mehrere, voneinander verschiedene alkoholische Komponenten.In one embodiment, the alcohol comprises only one alcoholic component. In another embodiment, the alcohol comprises a plurality of different alcoholic components.
In einer Ausführungsform ist der Alkohol ausgewählt aus Ethanol und/oder Ethylenglycol.In one embodiment, the alcohol is selected from ethanol and / or ethylene glycol.
In einer Ausführungsform beträgt die Konzentration des funktionalisierten Materials in wässrigen und/oder alkoholischen Dispersionen 0.1 bis 2 g/l, bevorzugt 0,1 bis 1 g/l.In one embodiment, the concentration of the functionalized material in aqueous and / or alcoholic dispersions is 0.1 to 2 g / l, preferably 0.1 to 1 g / l.
Vorteilhaft sind also wesentlich höher konzentrierte Dispersionen, als bisher aus dem Stand der Technik bekannt, ohne den Einsatz von die Grenzflächenspannung modifizierenden Additiven wie beispielsweise Tensiden, realisierbar.Advantageously, dispersions which are substantially more highly concentrated than hitherto known from the prior art can therefore be produced without the use of additives which modify the interfacial tension, for example surfactants.
Durch die erfindungsgemäße Funktionalisierung des Halbleiter- oder Leitermaterials ist damit erstmals eine Verarbeitbarkeit oder Prozessierung des Materials, beispielsweise auf Elektroden oder Substraten, aus verschiedensten Medien heraus möglich.As a result of the functionalization of the semiconductor or conductor material according to the invention, it is thus possible for the first time to process or process the material, for example on electrodes or substrates, from a wide variety of media.
Beispielsweise konnten stabile Dispersionen von Graphen, welches erfindungsgemäß, mit Polyanilin (EG-PANI) funktionalisiert, hergestellt wurde, in hohen Konzentrationen in Wasser oder Ethylenglycol erzeugt werden. Ebenso gelang die Herstellung von Dispersionen von mit sulfoniertem Polyanilin funktionalisierten Graphen (EG-SPANI) in Waser, Ethanol und Ethylenglycol. Weitere Beispiele sind in Tabelle 4 aufgeführt
Tabelle 4: Beispiele für stabile Dispersionen verschiedener erfindungsgemäß hergestellter Materialien in verschiedenen Medien und verschiedenen Konzentrationen:
- - EG-SPANI = Exfoliertes Graphen, mit sulfoniertem Polyanilin funktionalisiert,
- - EG-PANI = Exfoliertes Graphen, mit Polyanilin funktionalisiert,
- - EG-PPy = Exfoliertes Graphen, mit Polypyrrol funktionalisiert,
- - EG-PNIPAM = Exfoliertes Graphen, mit Poly(N-isopropylacrylamid) funktionalisiert,
- - EG-PSS = Exfoliertes Graphen, mit Poly(styrenesulfonat) funktionalisiert,
- - EG-PAM = Exfoliertes Graphen, mit Poly(Methylen-bis-acrylamid) funktionalisiert.
- - EC-SPANI = exfoliated graphene, functionalized with sulfonated polyaniline,
- - EG-PANI = exfoliated graphene, functionalized with polyaniline,
- - EG-PPy = exfoliated graphene, functionalized with polypyrrole,
- - EG-PNIPAM = exfoliated graphene, functionalized with poly (N-isopropylacrylamide),
- - EG-PSS = exfoliated graphene, functionalized with poly (styrenesulfonate),
- - EG-PAM = exfoliated graphene, functionalized with poly (methylene-bis-acrylamide).
In einer Ausführungsform wird nur die äußere Schicht des zweidimensional geschichteten Grundmaterials exfoliert und funktionalisiert, wobei das exfolierte und funktionalisierte Halbleiter- oder Leitermaterial in Form von Partikeln über einen nicht komplett exfolierten Randabschnitt der Partikel mit dem Grundmaterial verbunden bleibt, sodass die Partikel schuppenartig auf der Oberfläche des Grundmaterials stehen.In one embodiment, only the outer layer of the two-dimensionally layered base material is exfoliated and functionalized, whereby the exfoliated and functionalized semiconductor or conductor material in the form of particles remains bound to the base material via an incompletely exfoliated edge portion of the particles such that the particles are scaly on the surface of the basic material.
Das Abtrennen des funktionalisierten Halbleiter- oder Leitermaterials von der Elektrolytlösung erfolgt dann durch Entfernen des zusammen mit dem Grundmaterial aus der Elektrolytlösung. Man erhält vorteilhaft ein oberflächenfunktionalisiertes Grundmaterial.The separation of the functionalized semiconductor or conductor material from the electrolyte solution is then carried out by removing it together with the base material from the electrolyte solution. It is advantageous to obtain a surface-functionalized base material.
Vorteilhaft können damit die strukturellen Eigenschaften des zweidimensional geschichteten Grundmaterials erhalten bleiben und das funktionalisierte Halbleiter- oder Leitermaterial dient als Oberflächenfunktionalisierung auf dem Grundmaterial.Advantageously, the structural properties of the two-dimensionally layered base material can thus be retained, and the functionalized semiconductor or conductor material serves as surface functionalization on the base material.
Als Beispiele für eine derartige Ausgestaltung sind funktionalisierte Graphitfolien und funktionalisierte Carbonfasern zu nennen, in denen das funktionalisierte Material die Oberfläche des Grundmaterials vergrößert. Diese kann man zum Beispiel für Anwendungen als Katalysatorträger einsetzen oder für eine Verbesserung von Faser-Matrix Interaktionen in Carbonfaser-verstärkten Verbundwerkstoffen nutzen.Examples of such an embodiment include functionalized graphite foils and functionalized carbon fibers in which the functionalized material increases the surface area of the base material. These can be used, for example, as catalyst supports or as an enhancement of fiber-matrix interactions in carbon fiber reinforced composites.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten funktionalisierten Halbleiter- oder Leitermaterials zur Herstellung einer Dispersion in anorganischen und/oder organischen flüssigen Medien.The invention also relates to the use of the functionalized semiconductor or conductor material according to the invention for producing a dispersion in inorganic and / or organic liquid media.
Im Sinne der Erfindung versteht man unter anorganischen und/oder organischen flüssigen Medien sowohl reine als auch aus mehreren Komponenten bestehende Lösungsmittel oder Monomere oder Silikone oder Mischungen dieser. For the purposes of the invention, inorganic and / or organic liquid media are understood as meaning both pure and multi-component solvents or monomers or silicones or mixtures thereof.
In einer Ausführungsform ist die Dispersion frei von Grenzflächenspannung modifizierenden Verbindungen wie beispielsweise Tensiden, Detergenzien oder Emulgatoren.In one embodiment, the dispersion is free of interfacial tension modifying compounds such as surfactants, detergents or emulsifiers.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten funktionalisierten Halbleiter- oder Leitermaterials zur Herstellung einer Dispersion in wässriger und/oder alkoholischer Lösung.The invention also relates to the use of the functionalized semiconductor or conductor material according to the invention for producing a dispersion in aqueous and / or alcoholic solution.
Vorteilhaft weist das erfindungsgemäß hergestellte Leiter- oder Halbleitermaterial eine besonders geringe Defektdichte auf. RAMAN Messungen verdeutlichen, dass durch die Funktionalisierung des exfolierten Materials mit kleinen organischen Molekülen oder Polymeren die Oberfläche des Grundmaterials während der Exfolierung vor Sauerstoffradikalen geschützt wird. Dies wird durch besonders niedrige ID-IG-Verhältnisse deutlich.Advantageously, the conductor or semiconductor material produced according to the invention has a particularly low defect density. Raman measurements show that the functionalization of the exfoliated material with small organic molecules or polymers protects the surface of the base material from oxygen radicals during exfoliation. This is evident by particularly low I D -I G ratios.
Beispielsweise zeigt erfindungsgemäß hergestelltes EG-PANI ein ID-IG-Verhältnis von 0,12 oder erfindungsgemäß hergestelltes EG-PPy ein ID-IG-Verhältnis 0,13 auf.For example, EG-PANI produced according to the invention exhibits an I D -I G ratio of 0.12 or EG-PPy prepared according to the invention and an I D -I G ratio of 0.13.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines funktionalisierten Halbleiter- oder Leitermaterials, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in elektronischen Bauteilen.The invention also provides the use of a functionalized semiconductor or conductor material produced by the process according to the invention in electronic components.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines funktionalisierten Halbleiter- oder Leitermaterials, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Elektrodenmaterial, beispielsweise in Batterien oder Akkumulatoren.The invention also provides the use of a functionalized semiconductor or conductor material produced by the process according to the invention as an electrode material, for example in batteries or accumulators.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten funktionalisierten Halbleiter- oder Leitermaterials als Füllstoff in Harzen und Polymerlösungen, wie beispielsweise Lacken, Farben, Klebstoffen und ähnlichen flüssigen Formulierungen, wie zum Beispiel Schmiermitteln.The invention also relates to the use of a functionalized semiconductor or conductor material according to the invention as a filler in resins and polymer solutions, such as paints, paints, adhesives and similar liquid formulations, such as lubricants.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten funktionalisierten Halbleiter- oder Leitermaterials als Füllstoff in Kompositen wie beispielsweise Polymerkompositen, Metallmatrixkompositen, keramischen Kompositen und ähnlichen festen Formulierungen, bspw. in der Form von Masterbatches.The invention also provides the use of a functionalized semiconductor or conductor material according to the invention as a filler in composites such as polymer composites, metal matrix composites, ceramic composites and similar solid formulations, for example in the form of masterbatches.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche in zweckmäßig miteinander zu kombinieren.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne diese jedoch darauf zu beschränken:For the realization of the invention, it is also expedient to combine the above-described embodiments according to the invention, embodiments and features of the claims in an expedient manner.
The following exemplary embodiments are intended to explain the invention in more detail, without, however, limiting it to:
Figurenlistelist of figures
Die vorliegende Erfindung ist durch die nachfolgenden Abbildungen und Ausführungsbeispiele näher beschrieben, ohne dass durch diese eine Einschränkung der Breite der vorab definierten Ansprüche gegeben sein soll:
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1 : Schematische Illustration der in-situ Exfolierung und Funktionalisierung von Graphit, -
2 : Vorgeschlagener Mechanismus der in-situ Funktionalisierung, -
3 : RAMAN Spektren von a) EG und b) PPy-funktionalisiertem EG, -
4 : a) XPS Übersichtsspektren von EG und EG-PPY, b) hochaufgelöstes XPS-Spektrum der C1s-Region von EG, c) hochaufgelöstes XPS-Spektrum der C1s-Region von EG-PPY und d) hochaufgelöstes XPS-Spektrum der N1s-Region von EG-PPY, -
5 : RAMAN Spektrum von PANI-funktionalisiertem EG, -
6 : a) hochaufgelöstes XPS-Spektrum der C1s-Region von EG-PANI und b) hochaufgelöstes XPS-Spektrum der N1s-Region von EG-PANI, -
7 : a) TGA, b) AFM und c) RAMAN Analysen von SPANI-funktionalisiertem EG (EG-SPANI), -
8 : XPS Analyse von EG-SPANI: a) Übersichtsspektrum und hochaufgelöste XPS-Spektren b) der C1s-Region, c) der S2p-Region und d) der N1s-Region, -
9 : Schematische Illustration der Massenproduktion von EG-SPANI (= Exfoliertes Graphen, mit sulfoniertem Polyanilin funktionalisiert) durch ein Durchlaufsystem, -
10 : a) TGA und b) AFM Analysen von PNIPAM-funktionalisiertem EG (EG-PNIPAM), -
11 : XPS Analyse von EG-PNIPAM a) Übersichtsspektrum und b) hochaufgelöstes Spektrum der N1s-Region, -
12 : TGA Analysen von a) EG funktionalisiert mit Polymethylenbisacrylamid (PAM) b) EG funktionalisiert mit sulfoniertem Polystyrol, -
13 : a) TGA, b) XPS-Übersichtsspektrum und c) XPS N1s-Region Analysen eines Butylamin-funktionalisierten EG d) erhöhter Butylamin-Funktionalisierungsgrad nachgewiesen durch TGA, -
14 : a) TGA und b) XPS-Spektren von, mittels Valeriansäure, Pentyl-funktionalisiertem EG, -
15 : Vorgeschlagener Mechanismus für die direkte post-Funktionalisierung von EG unmittelbar nach der Exfolierung, -
16 : a, b) RAMAN und c) TGA Spektren von Polypyrrole-funktionalisiertem EG mittels direkter post-Funktionalisierung, -
17 : XPS Analyse von Polypyrrole-funktionalisiertem EG mittels direkter post-Funktionalisierung, a) Übersichtsspektrum, b) C1s-Region und c) N1s-Region, -
18 : TGA Analyse von EG nach direkter post-Funktionalisierung mit a) Valeriansäure, b) Butylamin und tert-Octylamin, -
19 : Zetapotential-Messungen wässriger Dispersionen funktionalisierter Graphene, -
20 : Ladungs- und Entladungskurve einer Halbzellen-Lithiumionenbatterie mit LiCoO2/EG-SPANI (90/10) als Kathodenmaterial, -
21 : Zyklische Voltametrie Messungen von 3-Elektodenzellen Superkondensatoren mit einem freistehenden Film von funktionalisiertem Graphen (EG-SPANI) als Elektrode.
-
1 : Schematic illustration of the in-situ exfoliation and functionalization of graphite, -
2 : Proposed mechanism of in-situ functionalization, -
3 : RAMAN spectra of a) EG and b) PPy-functionalized EG, -
4 : a) XPS overview spectra of EG and EG-PP Y , b) high-resolution XPS spectrum of the C1s region of EG, c) high-resolution XPS spectrum of the C1s region of EG-PPY and d) high-resolution XPS spectrum of the N1s Region of EC-PPY, -
5 : RAMAN spectrum of PANI-functionalized EC, -
6 a) High-resolution XPS spectrum of the C1s region of EG-PANI and b) High-resolution XPS spectrum of the N1s region of EG-PANI, -
7 : a) TGA, b) AFM and c) RAMAN analyzes of SPANI-functionalized EC (EC-SPANI), -
8th : XPS analysis of EG-SPANI: a) overview spectrum and high-resolution XPS spectra b) of the C1s region, c) of the S2p region and d) of the N1s region, -
9 : Schematic illustration of the mass production of EG-SPANI (= exfoliated graphene, functionalized with sulfonated polyaniline) by a continuous flow system, -
10 : a) TGA and b) AFM analyzes of PNIPAM-functionalized EC (EG-PNIPAM), -
11 : XPS analysis of EG-PNIPAM a) overview spectrum and b) high-resolution spectrum of the N1s region, -
12 : TGA analyzes of a) EG functionalized with polymethylene bisacrylamide (PAM) b) EG functionalized with sulfonated polystyrene, -
13 : a) TGA, b) XPS overview spectrum and c) XPS N1s region analyzes of a butylamine-functionalized EG d) increased butylamine functionalization level detected by TGA, -
14 a) TGA and b) XPS spectra of, by means of valeric acid, pentyl-functionalized EG, -
15 : Proposed mechanism for direct post-functionalization of EG immediately after exfoliation -
16 : a, b) RAMAN and c) TGA spectra of polypyrrole-functionalized EG by direct post-functionalization, -
17 XPS analysis of polypyrrole-functionalized EG by direct post-functionalization, a) overview spectrum, b) C1s region and c) N1s region, -
18 : TGA analysis of EG after direct post-functionalization with a) valeric acid, b) butylamine and tert-octylamine, -
19 : Zeta Potential Measurements of Aqueous Dispersions of Functionalized Graphenes, -
20 : Charge and discharge curve of a half cell lithium ion battery with LiCoO 2 / EG-SPANI (90/10) as the cathode material, -
21 : Cyclic voltammetry measurements of 3-cell supercapacitors with a freestanding film of functionalized graphene (EC-SPANI) as an electrode.
Charakterisierung der hergestellten MaterialienCharacterization of the produced materials
REM-Bilder wurden unter Verwendung eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (Gemini 1530 LEO) mit einer Beschleunigungsspannung von 10 keV erhalten. AFM-Charakterisierung wurde auf einem Veeco Nanoskop-Illa - Multimode Picoforce (Digital Instruments) durchgeführt. Raman-Spektroskopie und Kartierung wurde mit einem Bruker RFS 100/S Spektrometer (Laserwellenlänge 532 nm) durchgeführt. Die XPS-Analysen wurden an einem Thermo Scientific K-Alpha Röntgen-Photoelektronenspektrometer mit einem Grundkammerdruck zwischen ~ 10-8-10-9 mbar und einer AI-Anode als Röntgenstrahlungsquelle durchgeführt (Röntgenstrahlung von 1496 eV). Es wurden Spotgrößen von 400 µm verwendet. Übersichtsspektren wurden mit durchschnittlich 10 Scans, einer Durchlassenergie von 200,00 eV und einer Schrittweite von 1 eV aufgezeichnet. Hochauflösende Spektren wurden mit einem Durchschnitt von 10 Scans mit einer Durchlassenergie von 50,00 eV und einer Schrittweite von 0,1 eV aufgenommen. Die Flächenwiderstände der EG-Filme wurden mit einem Vier-Punkt-Widerstandsmesssystem unter Verwendung eines Keithley 2700-Multimeters (Sondenabstand: 0,635 mm, Rs = 4,532 V/l) gemessen.SEM images were obtained using a field emission scanning electron microscope (Gemini 1530 LEO) with an acceleration voltage of 10 keV. AFM characterization was performed on a Veeco Nanoscale Illa - Multimode Picoforce (Digital Instruments). Raman spectroscopy and mapping was performed on a
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
Electrochemische Exfolierung und in situ Funktionalisierung von Graphit mit Polypyrrol und Herstellung einer Dispersion Polypyrrol-funktionalisiertem Graphens (EG-PPy)Electrochemical exfoliation and in situ functionalization of graphite with polypyrrole and preparation of a dispersion of polypyrrole-functionalized graphene (EG-PPy)
Die Graphitexfolierung wurde in einem Zwei-Elektrodensystem durchgeführt, wobei Graphitfolien (2 cm×3cm, 100 mg pro Folie) (Alfa Aesar, 99.99 % Reinheit) als Arbeitsanoden und Goldfolien derselben Maße als Kathoden genutzt wurden. Die Goldelektroden wurden parallel zu den Graphitelektroden mit einem festen Abstand von 2 cm angeordnet. Der Elektrolyt für die Exfolierung wurde durch Lösen von Ammoniumsulfat (
Nachdem die Exfolierung abgeschlossen und die Graphitfolie verbraucht war, wurden die suspendierten Graphenflocken über einen 0.2 µm PC (Polycarbonat) Filter abgetrennt und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Der Waschprozess wurde dreimal wiederholt (3x400 mL) um etwaige Rückstände wie Ammoniumsulfat und Pyrrolmonomere auszuwaschen. Anschließend wurde das hellgraue Produkt (Polypyrrol-funktionalisiertes Graphen, EG-PPY, 60 mg) mittels milder Ultraschallbehandlung (30 min Ultraschallbad) in entionisiertem Wasser (30 ml) dispergiert. Diese Dispersion wurde 24h stehen gelassen um nicht exfolierte, nicht funktionalisierte Plättchen und größere Partikel sedimentieren zu lassen. Im Anschluss wurde die überstehende Dispersion abgenommen. Die so erhaltene wässrige Dispersion enthielt Graphen in einer Konzentration von 0,1-0,2 mg/ml und war über eine Woche stabil, das heißt, es fand keine Sedimentation der Partikel statt.After the exfoliation was completed and the graphite foil was consumed, the suspended graphene flakes were separated on a 0.2 μm PC (polycarbonate) filter and washed with deionized water. The washing process was repeated three times (3x400 mL) to wash out any residues such as ammonium sulfate and pyrrole monomers. Subsequently, the light gray product (polypyrrole-functionalized graphene, EG-PPY, 60 mg) was dispersed in deionized water (30 ml) by mild sonication (30 min. Ultrasonic bath). This dispersion was allowed to stand for 24 hours to sediment non-exfoliated non-functionalized platelets and larger particles. Subsequently, the supernatant dispersion was removed. The aqueous dispersion thus obtained contained graphene in a concentration of 0.1-0.2 mg / ml and was stable for one week, that is, there was no sedimentation of the particles.
Für Dispersionen in anderen Lösungsmitteln wurde das Produkt (Polypyrrol-funktionalisiertes Graphen, EG-PPY, 60 mg) nach der Wäsche mit Wasser in beispielsweise Ethanol oder Ethylenglycol (jeweils 30 ml) mittels milder Ultraschallbehandlung analog dispergiert und 24h stehen gelassen. Die so erhaltenen Überstände ergaben stabile Dispersionen mit einem Graphengehalt von 0,2-0,3 mg/ml (Ethanol) und 0,5-0,6 g/ml (Ethylenglycol).For dispersions in other solvents, the product (polypyrrole-functionalized graphene, EG-PPY, 60 mg) after washing with water in, for example, ethanol or ethylene glycol (30 ml each) was similarly dispersed by mild sonication and allowed to stand for 24 hours. The supernatants thus obtained gave stable dispersions having a graphene content of 0.2-0.3 mg / ml (ethanol) and 0.5-0.6 g / ml (ethylene glycol).
Die Reaktion wurde durch den Einsatz von dickeren Graphitfolien unter Beibehaltung der Elektrodenfläche im Elektrolyt und unter erhöhter Pyrrolkonzentration (im konstanten Verhältnis zum Gewicht der Graphitelektrode) aufskaliert.The reaction was scaled up by using thicker graphite foils while maintaining the electrode area in the electrolyte and at elevated pyrrole concentration (in constant proportion to the weight of the graphite electrode).
Die erfolgreiche Funktionalisierung konnte mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) nachgewiesen werden. Es ergab sich ein Sauerstoffgehalt von 11,46 Atom-% für EG und 9,52 Atom-% für EG-PPy.The successful functionalization could be detected by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). There was an oxygen content of 11.46 at% for EG and 9.52 at% for EG-PPy.
Im Falle von EG-PPy wurde, im Gegensatz zu EG, auch Stickstoff in einer Konzentration von 2,79 Atom-% nachgewiesen, welcher den Polypyrrolgruppen zuzuordnen ist (
Das hochaufgelöste Spektrum der N1s-Region (
Das hochaufgelöste Spektrum der C1s-Region (
Im Gegensatz dazu zeigt unfunktionalisiertes EG fünf verschieden Banden (
Die hohe Qualität des funktionalisierten Graphens kann mittels RAMAN Spektroskopie verdeutlicht werden. Während im Spektrum von EG ein relativ hohes Intensitätsverhältnis der D- und G-Peaks von 0,52 (
Ein dünner Film von EG-PPy wurde mittels Filtration einer Dispersion auf einem PC-Filterpapier erzeugt. Der Schichtwiderstand des Films wurde mit einem Vier-Punkt-Widerstandsmesssystem und die Schichtdicke mittels REM ermittelt, woraus eine Leitfähigkeit von ca. 500 S/cm ermittelt wurde.A thin film of EG-PPy was made by filtration of a dispersion on a PC filter paper. The film resistance of the film was determined using a four-point resistance measuring system and the layer thickness by means of SEM, from which a conductivity of approximately 500 S / cm was determined.
Zeta-Potentialmessungen von wässrigen Dispersionen zeigten die Stabilität von EG-PPy Dispersionen über einen breiten pH-Bereich (
Ausführungsbeispiel 2
Electrochemische Exfolierung und in situ Funktionalisierung von Graphit mit Polyanilin und Herstellung einer Dispersion Polyanilin-funktionalisierten Graphens (EG-PANI)Electrochemical exfoliation and in situ functionalization of graphite with polyaniline and preparation of a dispersion of polyaniline-functionalized graphene (EG-PANI)
Die Graphitexfolierung wurde in einem Zwei-Elektrodensystem durchgeführt, wobei Graphitfolien (2 cm×3cm, 100 mg pro Folie) (Alfa Aesar, 99.99 % Reinheit) als Arbeitsanoden und Goldfolien derselben Maße als Kathoden genutzt wurden. Die Goldelektroden wurden parallel zu den Graphitelektroden mit einem festen Abstand von 2 cm angeordnet. Der Elektrolyt für die Exfolierung wurde durch Lösen von Ammoniumsulfat (0,1 M, 0,8g) in 60 ml entionisiertem Wasser hergestellt. Anilin (10 µL, Acros organics, 99.8 % Reinheit) wurde in 26 µL H2SO4 und 10 mL Wasser gelöst um eine 0,01 M Monomerlösung zu erhalten. Nachdem die Elektroden in den Elektrolyten getaucht wurden (6 cm2 aktive Elektrodenfläche in der Lösung) wurde ein konstantes Potential von 10V angelegt um den Exfolierungsprozess zu starten, gleichzeitig wurde mittels einer Spritzenpumpe die Monomerlösung mit einer Rate von 15 ml/h zudosiert.The graphite finish was carried out in a two-electrode system using graphite foils (2 cm x 3 cm, 100 mg per foil) (Alfa Aesar, 99.99% purity) as working anodes and gold foils of the same dimensions as cathodes. The gold electrodes were placed parallel to the graphite electrodes at a fixed distance of 2 cm. The electrolyte for exfoliation was prepared by dissolving ammonium sulfate (0.1 M, 0.8 g) in 60 mL of deionized water. Aniline (10 μL, Acros organics, 99.8% pure) was dissolved in 26 μL H 2 SO 4 and 10 mL water to give a 0.01 M monomer solution. After the electrodes were immersed in the electrolyte (6 cm 2 of active electrode area in the solution), a constant potential of 10V was applied to start the exfoliation process, while at the same time the monomer solution was metered in at a rate of 15 ml / h by means of a syringe pump.
Nachdem die Exfolierung abgeschlossen und die Graphitfolie verbraucht war, wurden die suspendierten Graphenflocken über einen 0.2 µm PC (Polycarbonat) Filter abgetrennt und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Der Waschprozess wurde dreimal wiederholt (3x400 mL) um etwaige Rückstände wie Ammoniumsulfat und Anilinmonomere auszuwaschen. Anschließend wurde das hellgraue Produkt (Polyanilin-funktionalisiertes Graphen, EG-PANI, 60 mg) mittels milder Ultraschallbehandlung (30 min Ultraschallbad) in entionisiertem Wasser (30 ml) dispergiert. Diese Dispersion wurde 24h stehen gelassen um nicht exfolierte, nicht funktionalisierte Plättchen und größere Partikel sedimentieren zu lassen. Im Anschluss wurde der Überstand abgenommen. Die so erhaltene wässrige Dispersion enthielt Graphen in einer Konzentration von 0,1-0,2 mg/ml und war über eine Woche stabil.After the exfoliation was completed and the graphite foil was consumed, the suspended graphene flakes were separated on a 0.2 μm PC (polycarbonate) filter and washed with deionized water. The washing process was repeated three times (3x400 mL) to wash out any residue, such as ammonium sulfate and aniline monomer. Subsequently, the light gray product (polyaniline-functionalized graphene, EG-PANI, 60 mg) was dispersed in deionized water (30 ml) by mild sonication (30 min sonic bath). This dispersion was allowed to stand for 24 hours to sediment non-exfoliated non-functionalized platelets and larger particles. Subsequently, the supernatant was removed. The resulting aqueous dispersion contained graphene at a concentration of 0.1-0.2 mg / ml and was stable for one week.
Für Dispersionen in anderen Lösungsmitteln wurde das Produkt (Polyanilin-funktionalisiertes Graphen, EG-PANI, 60 mg) nach der Wäsche mit Wasser beispielsweise in Ethanol oder Ethylenglycol (jeweils 30 ml) mittels milder Ultraschallbehandlung analog dispergiert und 24h stehen gelassen. Die so erhaltenen Überstände ergaben stabile Dispersionen mit einem Graphengehalt von 0,2-0,3 mg/ml (Ethanol) und 0,5-0,6 g/ml (Ethylenglycol).For dispersions in other solvents, the product (polyaniline-functionalized graphene, EG-PANI, 60 mg) after washing with water, for example in ethanol or ethylene glycol (30 ml each) was dispersed by means of mild ultrasound treatment and allowed to stand for 24 h. The supernatants thus obtained gave stable dispersions having a graphene content of 0.2-0.3 mg / ml (ethanol) and 0.5-0.6 g / ml (ethylene glycol).
Die Reaktion wurde durch den Einsatz von dickeren Graphitfolien unter Beibehaltung der Elektrodenfläche im Elektrolyt und unter erhöhter Anilinkonzentration (im konstanten Verhältnis zum Gewicht der Graphitelektrode) aufskaliert.The reaction was scaled up by the use of thicker graphite sheets while maintaining the electrode area in the electrolyte and under increased aniline concentration (in constant proportion to the weight of the graphite electrode).
Die erfolgreiche Funktionalisierung konnte mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) nachgewiesen werden.The successful functionalization could be detected by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
Es ergab sich ein Sauerstoffgehalt von 11,46 Atom-% für EG und 6,68 Atom-% für EG-PANI. Im Falle von EG-PANI wurde, im Gegensatz zu EG auch Stickstoff in einer Konzentration von 2,02 Atom-% nachgewiesen, welcher den Polyanilingruppen zuzuordnen ist (
Das hochaufgelöste Spektrum der N1s-Region (
Das hochaufgelöste Spektrum der C1s-Region (
Die hohe Qualität und geringe Defektdichte des funktionalisierten Graphens kann mittels RAMAN Spektroskopie verdeutlicht werden. Durch die Zugabe der 0,01M wässrigen Anilinlösung während der Exfolierung kann die Graphenoberfläche durch die gebildeten Polyanilinfunktionalitäten geschützt werden, was durch ein niedriges ID-IG-Verhältnis von 0,12 verdeutlicht wird. (
Ein dünner Film von EG-PANI wurde mittels Filtration einer Dispersion auf einem PC-Filterpapier erzeugt. Der Schichtwiderstand des Films wurde mit einem Vier-Punkt-Widerstandsmesssystem und die Schichtdicke mittels REM ermittelt, woraus eine Leitfähigkeit von ca. 400 S/cm ermittelt wurde.A thin film of EG-PANI was made by filtration of a dispersion on a PC filter paper. The film resistance of the film was determined by a four-point resistance measuring system and the layer thickness by means of SEM, from which a conductivity of approximately 400 S / cm was determined.
Zeta-Potentialmessungen von wässrigen Dispersionen zeigten die Stabilität von EG-PANI Dispersionen im neutralen pH-Bereich und eine niedrige Stabilität unter sauren Bedingungen (
Ausführungsbeispiel 3 Embodiment 3
Electrochemische Exfolierung und in situ Funktionalisierung von Graphit mit sulfoniertem Polyanilin und Herstellung einer Dispersion von EG-SPANI (= Exfoliertes Graphen, mit sulfoniertem Polyanilin funktionalisiert)Electrochemical exfoliation and in situ functionalization of graphite with sulfonated polyaniline and preparation of a dispersion of EG-SPANI (= exfoliated graphene, functionalized with sulfonated polyaniline)
Die Graphitexfolierung wurde in einem Zwei-Elektrodensystem durchgeführt, wobei Graphitfolien (2 cm×3cm, 100 mg pro Folie) (Alfa Aesar, 99.99 % Reinheit) als Arbeitsanoden und Goldfolien derselben Maße als Kathoden genutzt wurden. Die Goldelektroden wurden parallel zu den Graphitelektroden mit einem festen Abstand von 2 cm angeordnet. Der Elektrolyt für die Exfolierung wurde durch Lösen von Ammoniumsulfat (0,1 M, 0,8g) in 60 ml entionisiertem Wasser hergestellt. Anilinsulfonsäure (18 mg, Sigma-Aldrich, 95% Reinheit) wurde in 26 µL H2SO4 und 10 mL Wasser gelöst um eine 0,01 M Monomerlösung zu erhalten. Nachdem die Elektroden in den Elektrolyten getaucht wurden (6 cm2 aktive Elektrodenfläche in der Lösung) wurde ein konstantes Potential von 10V angelegt um den Exfolierungsprozess zu starten, gleichzeitig wurde mittels einer Spritzenpumpe die Monomerlösung mit einer Rate von 15 ml/h zudosiert.The graphite finish was carried out in a two-electrode system using graphite foils (2 cm x 3 cm, 100 mg per foil) (Alfa Aesar, 99.99% purity) as working anodes and gold foils of the same dimensions as cathodes. The gold electrodes were placed parallel to the graphite electrodes at a fixed distance of 2 cm. The electrolyte for exfoliation was prepared by dissolving ammonium sulfate (0.1 M, 0.8 g) in 60 mL of deionized water. Aniline sulfonic acid (18 mg, Sigma-Aldrich, 95% purity) was dissolved in 26 μL H 2 SO 4 and 10 mL water to obtain a 0.01 M monomer solution. After the electrodes were immersed in the electrolyte (6 cm 2 of active electrode area in the solution), a constant potential of 10V was applied to start the exfoliation process, while at the same time the monomer solution was metered in at a rate of 15 ml / h by means of a syringe pump.
Nachdem die Exfolierung abgeschlossen und die Graphitfolie verbraucht war, wurden die suspendierten Graphenflocken über einen 0.2 µm PC (Polycarbonat) Filter abgetrennt und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Der Waschprozess wurde dreimal wiederholt (3x400 mL) um etwaige Rückstände wie Ammoniumsulfat und Anilinmonomere auszuwaschen. Anschließend wurde das dunkelgraue Produkt (Polyanilinsulfonat-funktionalisiertes Graphen, EG-SPANI, 60 mg) mittels milder Ultraschallbehandlung (30 min Ultraschallbad) in entionisiertem Wasser (30 ml) dispergiert. Diese Dispersion wurde 24h stehen gelassen um nicht exfolierte, nicht funktionalisierte Plättchen und größere Partikel sedimentieren zu lassen. Im Anschluss wurde die überstehende Dispersion abgenommen. Die so erhaltene wässrige Dispersion enthielt Graphen in einer Konzentration von 0,3-0,4 mg/ml und war über eine Woche stabil.After the exfoliation was completed and the graphite foil was consumed, the suspended graphene flakes were separated on a 0.2 μm PC (polycarbonate) filter and washed with deionized water. The washing process was repeated three times (3x400 mL) to wash out any residue, such as ammonium sulfate and aniline monomer. Subsequently, the dark gray product (polyaniline sulfonate-functionalized graphene, EG-SPANI, 60 mg) was dispersed in deionized water (30 ml) by gentle sonication (30 min sonic bath). This dispersion was allowed to stand for 24 hours to sediment non-exfoliated non-functionalized platelets and larger particles. Subsequently, the supernatant dispersion was removed. The resulting aqueous dispersion contained graphene at a concentration of 0.3-0.4 mg / ml and was stable for over a week.
Für Dispersionen in anderen Lösungsmitteln wurde das Produkt (Polyanilinsulfonat-funktionalisiertes Graphen, EG-SPANI, 60 mg) nach der Wäsche mit Wasser beispielsweise in Ethanol oder Ethylenglycol (jeweils 30 ml) mittels milder Ultraschallbehandlung analog dispergiert und 24h stehen gelassen. Die so erhaltenen Überstände ergaben stabile Dispersionen mit einem Graphengehalt von 0,4-0,5 mg/ml (Ethanol) und 0,8-1,0 g/ml (Ethylenglycol).For dispersions in other solvents, the product (polyaniline sulfonate-functionalized graphene, EG-SPANI, 60 mg) was similarly dispersed after washing with water in, for example, ethanol or ethylene glycol (30 ml each) by mild sonication and allowed to stand for 24 hours. The supernatants thus obtained gave stable dispersions having a graphene content of 0.4-0.5 mg / ml (ethanol) and 0.8-1.0 g / ml (ethylene glycol).
Die Reaktion wurde durch den Einsatz von dickeren Graphitfolien unter Beibehaltung der Elektrodenfläche im Elektrolyt und unter erhöhter Anilinkonzentration (im konstanten Verhältnis zum Gewicht der Graphitelektrode) aufskaliert.The reaction was scaled up by the use of thicker graphite sheets while maintaining the electrode area in the electrolyte and under increased aniline concentration (in constant proportion to the weight of the graphite electrode).
Die erfolgreiche Funktionalisierung konnte mittels Thermogravimetrie (TGA) nachgewiesen werden, wo das funktionalisierte EG-SPANI im Vergleich zu unfunktionalisiertem EG einen nahezu 5 wt.% höheren Masseverlust zeigte (
Die AFM-Untersuchungen zeigten eine Schichtdicke von 4 nm bzw. 1,2 nm für die Kanten und Basalebenen der Plättchen (
Mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) konnten ein Stickstoffgehalt von 2,15 Atom-% und ein Schwefelgehalt von 0,62 Atom-% nachgewiesen werden, welche den Polyanilinsulfonatgruppen zuzuordnen sind (
Das hochaufgelöste Spektrum der N1s-Region zeigt eine Hauptbande bei 400 eV welche den -NH-Gruppen, sowie die Bande bei 401 eV welche der Polaronstruktur (C-N+) von Polyanilinsulfonat zugeordnet werden können. Das hochaufgelöste Spektrum der C1s-Region (
Ein dünner Film von EG-SPANI wurde mittels Filtration einer Dispersion auf einem PC-Filterpapier erzeugt. Der Schichtwiderstand des Films wurde mit einem Vier-Punkt-Widerstandsmesssystem und die Schichtdicke mittels REM ermittelt, woraus eine Leitfähigkeit von ca. 800 S/cm ermittelt wurde.A thin film of EG-SPANI was made by filtration of a dispersion on a PC filter paper. The film resistance of the film was determined by means of a four-point resistance measuring system and the layer thickness by means of SEM, from which a conductivity of approximately 800 S / cm was determined.
Zeta-Potentialmessungen von wässrigen Dispersionen zeigten die Stabilität von EG-SPANI Dispersionen in einem breiten pH-Bereich (3-10) mit einem Zeta-Potential von unter -40 mV (
Ausführungsbeispiel 4
Massenproduktion von EG-SPANI (= Exfoliertes Graphen, mit sulfoniertem Polyanilin funktionalisiert) durch ein DurchlaufsystemMass production of EG-SPANI (= exfoliated graphene, functionalized with sulfonated polyaniline) through a continuous flow system
Die Graphitexfolierung wurde in einem Durchlaufsystem durchgeführt, wobei Graphitfolien (5 cm×30 cm, 2.3 g pro Folie) (Alfa Aesar, 99.99 % Reinheit) als Arbeitsanoden und Kupferfolien derselben Maße als Kathoden genutzt wurden. die Kupferelektroden wurden an der Reaktorwand befestigt, wo die Graphitelektroden von oben in den Elektrolyten eintauchen (
Nachdem die Exfolierung abgeschlossen und die Graphitfolie verbraucht war, wurden die suspendierten Graphenflocken über einen 0.2 µm PC (Polycarbonat) Filter abgetrennt und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Der Waschprozess wurde dreimal wiederholt (2 L) um etwaige Rückstände wie Ammoniumsulfat und Anilinmonomere auszuwaschen. Anschließend wurde das dunkelgraue Produkt (Polyanilinsulfonat-funktionalisiertes Graphen, EG-SPANI, 2,2 g) mittels milder Ultraschallbehandlung (30 min, 30% Amplitude, 2 Watt) in entionisiertem Wasser (150 ml) dispergiert. Diese Dispersion wurde 24h stehen gelassen um nicht exfolierte, nicht funktionalisierte Plättchen und größere Partikel sedimentieren zu lassen. Im Anschluss wurde die überstehende Dispersion abgenommen. Die so erhaltene wässrige Dispersion enthielt Graphen in einer Konzentration von 0,5 mg/ml und war über eine Woche stabil.After the exfoliation was completed and the graphite foil was consumed, the suspended graphene flakes were separated on a 0.2 μm PC (polycarbonate) filter and washed with deionized water. The washing process was repeated 3 times (2 L) to wash out any residue, such as ammonium sulfate and aniline monomer. Subsequently, the dark gray product (polyaniline sulfonate functionalized graphene, EG-SPANI, 2.2 g) was dispersed in deionized water (150 ml) by mild sonication (30 min, 30% amplitude, 2 watts). This dispersion was allowed to stand for 24 hours to sediment non-exfoliated non-functionalized platelets and larger particles. Subsequently, the supernatant dispersion was removed. The resulting aqueous dispersion contained graphene at a concentration of 0.5 mg / ml and was stable for a week.
Ausführungsbeispiel 5
Elektrochemische Exfolierung und in situ Funktionalisierung von Graphit mit Poly-N-isopropylacrylamid und Herstellung einer Dispersion von EG-PNIPAM (= Poly-N-isopropylacrylamid-funktionalisiertes Graphen)Electrochemical exfoliation and in situ functionalization of graphite with poly-N-isopropylacrylamide and preparation of a dispersion of EG-PNIPAM (= poly-N-isopropylacrylamide-functionalized graphene)
Die Graphitexfolierung wurde in einem Zwei-Elektrodensystem durchgeführt, wobei Graphitfolien (2 cm×3cm, 100 mg pro Folie) (Alfa Aesar, 99.99 % Reinheit) als Arbeitsanoden und Goldfolien derselben Maße als Kathoden genutzt wurden. Die Goldelektroden wurden parallel zu den Graphitelektroden mit einem festen Abstand von 2 cm angeordnet. Der Elektrolyt für die Exfolierung wurde durch Lösen von Ammoniumsulfat (0,1M, 0,8g) in 60 ml entionisiertem Wasser hergestellt. N-isopropylacrylamid (30 mg, 0.25 mmol, Sigma, Reinheit 97%) wurde in 10 mL Wasser gelöst um eine 0,02 M Monomerlösung zu erhalten. Nachdem die Elektroden in den Elektrolyten getaucht wurden (6 cm2 aktive Elektrodenfläche in der Elektrolytlösung) wurde ein konstantes Potential von 10V angelegt um den Exfolierungsprozess zu starten, gleichzeitig wurde mittels einer Spritzenpumpe die Monomerlösung mit einer Rate von 20 ml/h zudosiert.The graphite finish was carried out in a two-electrode system using graphite foils (2 cm x 3 cm, 100 mg per foil) (Alfa Aesar, 99.99% purity) as working anodes and gold foils of the same dimensions as cathodes. The gold electrodes were placed parallel to the graphite electrodes at a fixed distance of 2 cm. The electrolyte for exfoliation was prepared by dissolving ammonium sulfate (0.1 M, 0.8 g) in 60 mL of deionized water. N-isopropylacrylamide (30 mg, 0.25 mmol, Sigma, 97% purity) was dissolved in 10 mL of water to obtain a 0.02 M monomer solution. After the electrodes were immersed in the electrolyte (6 cm 2 active electrode area in the electrolytic solution), a constant potential of 10V was applied to start the exfoliation process, while the monomer solution was metered in at a rate of 20 ml / hr by a syringe pump.
Nachdem die Exfolierung abgeschlossen und die Graphitfolie verbraucht war, wurden die suspendierten Graphenflocken über einen 0.2 µm PC (Polycarbonat) Filter abgetrennt und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Der Waschprozess wurde dreimal wiederholt (3x400 mL) um etwaige Rückstände wie Ammoniumsulfat und Anilinmonomere auszuwaschen. Anschließend wurde das dunkelgraue Produkt (Poly-N-isopropylacrylamid-funktionalisiertes Graphen, EG-PNIPAM, 60 mg) mittels milder Ultraschallbehandlung (30 min Ultraschallbad) in entionisiertem Wasser (30 ml) dispergiert. Diese Dispersion wurde 24h stehen gelassen um nicht exfolierte, nicht funktionalisierte Plättchen und größere Partikel sedimentieren zu lassen. Im Anschluss wurde die überstehende Dispersion abgenommen. Die so erhaltene wässrige Dispersion enthielt funktionalisiertes Graphen in einer Konzentration von 0,3-0,4 mg/ml und war über eine Woche stabil.After the exfoliation was completed and the graphite foil was consumed, the suspended graphene flakes were separated on a 0.2 μm PC (polycarbonate) filter and washed with deionized water. The washing process was repeated three times (3x400 mL) to wash out any residue, such as ammonium sulfate and aniline monomer. Subsequently, the dark gray product (poly-N-isopropylacrylamide-functionalized graphene, EG-PNIPAM, 60 mg) was dispersed in deionized water (30 ml) by gentle sonication (30 min. Ultrasonic bath). This dispersion was allowed to stand for 24 hours to sediment non-exfoliated non-functionalized platelets and larger particles. Subsequently, the supernatant dispersion was removed. The resulting aqueous dispersion contained functionalized graphene at a concentration of 0.3-0.4 mg / ml and was stable for over a week.
Die erfolgreiche Funktionalisierung konnte mittels TGA nachgewiesen werden, wo das funktionalisierte EG-PNIPAM im Vergleich zu unfunktionalisiertem EG über 40 wt.% Masseverlust zeigte (
Die AFM-Untersuchungen zeigten eine Schichtdicke von 3 nm, was die Präsenz von funktionellen Gruppen auf der Oberfläche verdeutlicht (
Mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) konnten ein Stickstoffgehalt von 0,86 Atom-% und eine Erhöhung des C/O-Verhältnisses nachgewiesen werden, welche auf die PNIPAM-Funktionalisierung zurückzuführen sind (
Ein dünner Film von EG-PNIPAM wurde mittels Filtration einer Dispersion auf einem PC-Filterpapier erzeugt. Der relativ hohe Schichtwiderstand des Films von ~140 Ω/□ (mit einem Vier-Punkt-Widerstandsmesssystem bestimmt) ist auf das Vorhandensein des Isolators PNIPAM auf der Graphenoberfläche zurückzuführen.A thin film of EG-PNIPAM was made by filtration of a dispersion on a PC filter paper. The relatively high sheet resistance of the film of ~ 140 Ω / □ (determined with a four-point resistance measuring system) is due to the presence of the PNIPAM insulator on the graphene surface.
Das Verfahren wurde in analoger Weise auch mit anderen Vinylmonomeren, wie Methylenbis-acrylamid und Natrium-4-vinylbenzenesulfonat, erfolgreich durchgeführt welche an der Oberfläche des Graphens polymerisiert werden konnten. Die erfolgreiche Funktionalisierung mit Poly-(Methylen-bis-acrylamid) (PAM) und Poly-(Natrium-4-vinylbenzenesulfonat) (PSS) wurde analog Beispiel 4 mittels TGA nachgewiesen (
Darüber hinaus konnten stabile wässrige Dispersionen mit EG-PAM (0,25 mg/ml) und EG-PSS (0,4 mg/ml) hergestellt werden.In addition, stable aqueous dispersions with EG-PAM (0.25 mg / ml) and EG-PSS (0.4 mg / ml) could be prepared.
Ausführungsbeispiel 6
Elektrochemische Exfolierung und in situ Funktionalisierung von Graphit mit ButylaminElectrochemical exfoliation and in situ functionalization of graphite with butylamine
Die Graphitexfolierung wurde in einem Zwei-Elektrodensystem durchgeführt, wobei Graphitfolien (2 cm×3cm, 100 mg pro Folie) (Alfa Aesar, 99.99 % Reinheit) als Arbeitsanoden und Goldfolien derselben Maße als Kathoden genutzt wurden. Die Goldelektroden wurden parallel zu den Graphitelektroden mit einem festen Abstand von 2 cm angeordnet. Der Elektrolyt für die Exfolierung wurde durch Lösen von Ammoniumsulfat (0,1M, 0,93g) und Butylamin (30 mg, 0.41 mmol, Aldrich, 99.5% Reinheit) in 70 ml entionisiertem Wasser hergestellt. Nachdem die Elektroden in den Elektrolyten getaucht wurden (6 cm2 aktive Elektrodenfläche in der Elektrolytlösung) wurde ein konstantes Potential von 10V angelegt um den Exfolierungsprozess zu starten. Nachdem die Exfolierung abgeschlossen und die Graphitfolie verbraucht war, wurden die suspendierten Graphenflocken über einen 0.2 µm PC (Polycarbonat) Filter abgetrennt und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Der Waschprozess wurde dreimal wiederholt (3×400 mL) um etwaige Rückstände wie Ammoniumsulfat und Butylamin auszuwaschen. Anschließend wurde das dunkelgraue Produkt (60 mg) mittels milder Ultraschallbehandlung (30 min Ultraschallbad) in entionisiertem Wasser (30 ml) dispergiert. Diese Dispersion wurde 24h stehen gelassen um nicht exfolierte, nicht funktionalisierte Plättchen und größere Partikel sedimentieren zu lassen. Im Anschluss wurde die überstehende Dispersion abgenommen. Die so erhaltene wässrige Dispersion enthielt funktionalisiertes Graphen in einer Konzentration von 0,1 mg/ml und war über eine Woche stabil.The graphite finish was carried out in a two-electrode system using graphite foils (2 cm x 3 cm, 100 mg per foil) (Alfa Aesar, 99.99% purity) as working anodes and gold foils of the same dimensions as cathodes. The gold electrodes were placed parallel to the graphite electrodes at a fixed distance of 2 cm. The electrolyte for exfoliation was prepared by dissolving ammonium sulfate (0.1 M, 0.93 g) and butylamine (30 mg, 0.41 mmol, Aldrich, 99.5% purity) in 70 mL of deionized water. After immersing the electrodes in the electrolyte (6 cm 2 active electrode area in the electrolyte solution), a constant potential of 10V was applied to start the exfoliation process. After the exfoliation was completed and the graphite foil was consumed, the suspended graphene flakes were separated on a 0.2 μm PC (polycarbonate) filter and washed with deionized water. The washing process was repeated three times (3 × 400 mL) to wash out any residue such as ammonium sulfate and butylamine. Subsequently, the dark gray product (60 mg) was dispersed in deionized water (30 ml) by mild sonication (30 min. Ultrasonic bath). This dispersion was allowed to stand for 24 hours to sediment non-exfoliated non-functionalized platelets and larger particles. Subsequently, the supernatant dispersion was removed. The resulting aqueous dispersion contained functionalized graphene at a concentration of 0.1 mg / ml and was stable for one week.
In TGA-Messungen wurde eine Restmasse von 66 wt.% ermittelt, wobei der Verlust im Wesentlichen auf die Abspaltung der Butyl-Gruppen bei 374°C zurückzuführen ist (
Mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) konnten ein Stickstoffgehalt von 1,11 Atom-% nachgewiesen werden, welche den Butylamingruppen zuzuordnen sind (
Der Funktionalisierungsgrad konnte durch Erhöhung der Butylaminkonzentration (150 mg, 2 mmol), bei ansonsten gleichen Bedingungen wie oben, erhöht werden. Dies konnte auch durch einen erhöhten Masseverlust in der TGA bis auf eine Restmasse von 51 wt.% nachgewiesen werden (
Das Verfahren wurde in analoger Weise auch mit anderen Aminen, wie tert-Octylamin, Melamin und 2-Amino-2-(hydroxymethyl)-1,3-propanediol (TRIS) erfolgreich durchgeführt.The process was also successfully carried out in an analogous manner with other amines, such as tert-octylamine, melamine and 2-amino-2- (hydroxymethyl) -1,3-propanediol (TRIS).
Ausführungsbeispiel 7 Embodiment 7
Elektrochemische Exfolierung und in situ Funktionalisierung von Graphit mit ValeriansäureElectrochemical exfoliation and in situ functionalization of graphite with valeric acid
Die Graphitexfolierung wurde in einem Zwei-Elektrodensystem durchgeführt, wobei Graphitfolien (2 cm×3cm, 100 mg pro Folie) (Alfa Aesar, 99.99 % Reinheit) als Arbeitsanoden und Goldfolien derselben Maße als Kathoden genutzt wurden. Die Goldelektroden wurden parallel zu den Graphitelektroden mit einem festen Abstand von 2 cm angeordnet. Der Elektrolyt für die Exfolierung wurde durch Lösen von Ammoniumsulfat (0,1M, 0,93g) und Valeriansäure (30 mg, 0.3 mmol, Alfa Aesar, 99% Reinheit) in 70 ml entionisiertem Wasser hergestellt. Nachdem die Elektroden in den Elektrolyten getaucht wurden (6 cm2 aktive Elektrodenfläche in der Elektrolytlösung) wurde ein konstantes Potential von 10V angelegt um den Exfolierungsprozess zu starten.The graphite finish was carried out in a two-electrode system using graphite foils (2 cm x 3 cm, 100 mg per foil) (Alfa Aesar, 99.99% purity) as working anodes and gold foils of the same dimensions as cathodes. The gold electrodes were placed parallel to the graphite electrodes at a fixed distance of 2 cm. The electrolyte for exfoliation was prepared by dissolving ammonium sulfate (0.1M, 0.93g) and valeric acid (30 mg, 0.3 mmol, Alfa Aesar, 99% purity) in 70 mL of deionized water. After immersing the electrodes in the electrolyte (6 cm 2 active electrode area in the electrolyte solution), a constant potential of 10V was applied to start the exfoliation process.
Nachdem die Exfolierung abgeschlossen und die Graphitfolie verbraucht war, wurden die suspendierten Graphenflocken über einen 0.2 µm PC (Polycarbonat) Filter abgetrennt und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Der Waschprozess wurde dreimal wiederholt (3x400 mL) um etwaige Rückstände wie Ammoniumsulfat und Valeriansäure auszuwaschen. Anschließend wurde das dunkelgraue Produkt (60 mg) mittels milder Ultraschallbehandlung (30 min Ultraschallbad) in entionisiertem Wasser (30 ml) dispergiert. Diese Dispersion wurde 24h stehen gelassen um nicht exfolierte, nicht funktionalisierte Plättchen und größere Partikel sedimentieren zu lassen. Im Anschluss wurde die überstehende Dispersion abgenommen. Die so erhaltene wässrige Dispersion enthielt Graphen in einer Konzentration von 0,1 mg/ml und war über eine Woche stabil.After the exfoliation was completed and the graphite foil was consumed, the suspended graphene flakes were separated on a 0.2 μm PC (polycarbonate) filter and washed with deionized water. The washing process was repeated three times (3x400 mL) to wash out any residues such as ammonium sulfate and valeric acid. Subsequently, the dark gray product (60 mg) was dispersed in deionized water (30 ml) by mild sonication (30 min. Ultrasonic bath). This dispersion was allowed to stand for 24 hours to sediment non-exfoliated non-functionalized platelets and larger particles. Subsequently, the supernatant dispersion was removed. The aqueous dispersion thus obtained contained graphene at a concentration of 0.1 mg / ml and was stable for one week.
Die erfolgreiche Funktionalisierung konnte mittels TGA nachgewiesen werden, wo das funktionalisierte EG im Vergleich zu unfunktionalisiertem EG einen 4 wt.% größeren Masseverlust zeigte (
Gleichzeitig konnte mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) eine Erhöhung des C/O-Verhältnisses auf ~9 nachgewiesen werden (im Vergleich unfunktionalisiertes EG: -7,3) (
Ausführungsbeispiel 8
Elektrochemische Exfolierung von Graphen und direkt anschließende Funktionalisierung mit PolypyrrolElectrochemical exfoliation of graphene and subsequent functionalization with polypyrrole
Die Graphitexfolierung wurde in einem Zwei-Elektrodensystem durchgeführt, wobei Graphitfolien (2 cmx×3cm, 100 mg pro Folie) (Alfa Aesar, 99.99 % Reinheit) als Arbeitsanoden und Goldfolien derselben Maße als Kathoden genutzt wurden. Die Goldelektroden wurden parallel zu den Graphitelektroden mit einem festen Abstand von 2 cm angeordnet. Der Elektrolyt für die Exfolierung wurde durch Lösen von Ammoniumsulfat (0,1M, 0,93g) in 70 ml entionisiertem Wasser hergestellt. Nachdem die Elektroden in den Elektrolyten getaucht wurden (6 cm2 aktive Elektrodenfläche in der Elektrolytlösung) wurde ein konstantes Potential von 10V angelegt um den Exfolierungsprozess zu starten.The graphite finish was carried out in a two-electrode system using graphite foils (2 cm × 3 cm, 100 mg per film) (Alfa Aesar, 99.99% purity) as working anodes and gold foils of the same dimensions as cathodes. The gold electrodes were placed parallel to the graphite electrodes at a fixed distance of 2 cm. The electrolyte for exfoliation was prepared by dissolving ammonium sulfate (0.1 M, 0.93 g) in 70 mL of deionized water. After immersing the electrodes in the electrolyte (6 cm 2 active electrode area in the electrolyte solution), a constant potential of 10V was applied to start the exfoliation process.
Nachdem die Exfolierung abgeschlossen und die Graphitfolie verbraucht war, wurde Pyrrol (100 µl, 1,5 mmol, Sigma-Aldrich, 98% Reinheit) zugegeben und die Mischung für 5 min in einem Ultraschallbad homogenisiert und anschließend 30min gerührt. Im Anschluss wurden die suspendierten Graphenflocken über einen 0.2 µm PC (Polycarbonat) Filter abgetrennt und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Der Waschprozess wurde dreimal wiederholt (3x400 mL) um etwaige Rückstände wie Ammoniumsulfat und Pyrrol auszuwaschen. Anschließend wurde das dunkelgraue Produkt (60 mg) mittels milder Ultraschallbehandlung (30 min Ultraschallbad) in entionisiertem Wasser (30 ml) dispergiert. Diese Dispersion wurde 24h stehen gelassen um nicht exfolierte, nicht funktionalisierte Plättchen und größere Partikel sedimentieren zu lassen. Im Anschluss wurde die überstehende Dispersion abgenommen. Die so erhaltene wässrige Dispersion enthielt funktionalisiertes Graphen in einer Konzentration von 0,2 mg/ml und war über eine Woche stabil.After the exfoliation was complete and the graphite foil was consumed, pyrrole (100 μl, 1.5 mmol, Sigma-Aldrich, 98% purity) was added and the mixture was homogenized for 5 min in an ultrasonic bath and then stirred for 30 min. Subsequently, the suspended graphene flakes were separated on a 0.2 μm PC (polycarbonate) filter and washed with deionized water. The washing process was repeated three times (3x400 mL) to wash out any residue, such as ammonium sulfate and pyrrole. Subsequently, the dark gray product (60 mg) was dispersed in deionized water (30 ml) by mild sonication (30 min. Ultrasonic bath). This dispersion was allowed to stand for 24 hours to sediment non-exfoliated non-functionalized platelets and larger particles. Subsequently, the supernatant dispersion was removed. The resulting aqueous dispersion contained functionalized graphene at a concentration of 0.2 mg / ml and was stable for one week.
Der vorgeschlagene Mechanismus zur direkten Funktionalisierung ist in
Das RAMAN Spektrum zeigte ein ID/IG-Verhältnis von 0.3. Außerdem indizierte das RAMAN-Spektrum drei Banden bei 848,5 cm-1, 994,9 cm-1 und 1050,1 cm-1 (
Darüberhinaus konnte die erfolgreiche Funktionalisierung mittels TGA nachgewiesen werden, wo das funktionalisierte EG im Vergleich zu unfunktionalisiertem EG einen 19 wt.% höheren Masseverlust zeigte (
XPS Messungen ergaben einen Sauerstoffgehalte von 10,92 Atom% (EG) und 8,43 Atom% (EG-PPy) sowie einen Anteil von 3,37 Atom% Stickstoff für EG-PPy welcher auf die Polypyrrolfunktionalisierung zurückzuführen ist (
Das hochaufgelöste Spektrum der N1s-Region zeigt eine Hauptbande bei 400 eV welche den -NH-Gruppe, sowie die Bande bei 401 eV welche der Polaronstruktur (C-N+) von Polypyrrol zugeordnet werden können (
Ausführungsbeispiel 9Embodiment 9
Elektrochemische Exfolierung von Graphen und direkte Funktionalisierung mit ValeriansäureElectrochemical exfoliation of graphene and direct functionalization with valeric acid
Durch die Effekte der elektrochemischen Exfolierung auf die Oberfläche des Graphens und die Erzeugung aktiver/reaktiver Zentren (siehe
Die Graphitexfolierung wurde in einem Zwei-Elektrodensystem durchgeführt, wobei Graphitfolien (2 cm×3cm, 100 mg pro Folie) (Alfa Aesar, 99.99 % Reinheit) als Arbeitsanoden und Goldfolien derselben Maße als Kathoden genutzt wurden. Die Goldelektroden wurden parallel zu den Graphitelektroden mit einem festen Abstand von 2 cm angeordnet. Der Elektrolyt für die Exfolierung wurde durch Lösen von Ammoniumsulfat (0,1 M, 0,93g) in 70 ml entionisiertem Wasser hergestellt. Nachdem die Elektroden in den Elektrolyten getaucht wurden (6 cm2 aktive Elektrodenfläche in der Elektrolytlösung) wurde ein konstantes Potential von 10V angelegt um den Exfolierungsprozess zu starten.The graphite finish was carried out in a two-electrode system using graphite foils (2 cm x 3 cm, 100 mg per foil) (Alfa Aesar, 99.99% purity) as working anodes and gold foils of the same dimensions as cathodes. The gold electrodes were placed parallel to the graphite electrodes at a fixed distance of 2 cm. The electrolyte for exfoliation was prepared by dissolving ammonium sulfate (0.1 M, 0.93 g) in 70 mL of deionized water. After immersing the electrodes in the electrolyte (6 cm 2 active electrode area in the electrolyte solution), a constant potential of 10V was applied to start the exfoliation process.
Nachdem die Exfolierung abgeschlossen und die Graphitfolie verbraucht war, wurde Valeriansäure (100 mg, 0,98 mmol, Alfa-Aesar, 99% Reinheit) zugegeben und die Mischung für 5 min in einem Ultraschallbad homogenisiert und anschließend 30min gerührt. Im Anschluss wurden die suspendierten Graphenflocken über einen 0.2 µm PC (Polycarbonat) Filter abgetrennt und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Der Waschprozess wurde dreimal wiederholt (3x400 mL) um etwaige Rückstände wie Ammoniumsulfat und Pyrrol auszuwaschen. Anschließend wurde das dunkelgraue Produkt (60 mg) mittels milder Ultraschallbehandlung (30 min Ultraschallbad) in entionisiertem Wasser (30 ml) dispergiert. Diese Dispersion wurde 24h stehen gelassen um nicht exfolierte, nicht funktionalisierte Plättchen und größere Partikel sedimentieren zu lassen. Im Anschluss wurde der Überstand abgenommen. Die so erhaltene wässrige Dispersion enthielt Graphen in einer Konzentration von 0,1 mg/ml und war über eine Woche stabil.After the exfoliation was completed and the graphite foil was consumed, valeric acid (100 mg, 0.98 mmol, Alfa-Aesar, 99% purity) was added and the mixture was homogenized for 5 min in an ultrasonic bath and then stirred for 30 min. Subsequently, the suspended graphene flakes were separated on a 0.2 μm PC (polycarbonate) filter and washed with deionized water. The washing process was repeated three times (3x400 mL) to wash out any residue, such as ammonium sulfate and pyrrole. Subsequently, the dark gray product (60 mg) was dispersed in deionized water (30 ml) by mild sonication (30 min. Ultrasonic bath). This dispersion was allowed to stand for 24 hours to sediment non-exfoliated non-functionalized platelets and larger particles. Subsequently, the supernatant was removed. The aqueous dispersion thus obtained contained graphene at a concentration of 0.1 mg / ml and was stable for one week.
Die erfolgreiche Funktionalisierung konnte mittels TGA nachgewiesen werden, wo das funktionalisierte EG im Vergleich zu unfunktionalisiertem EG eine Restmasse nahezu 63 wt.% zeigte.The successful functionalization was demonstrated by TGA, where the functionalized EG showed a residual mass of nearly 63 wt.% Compared to unfunctionalized EG.
Darüber hinaus ist die Stufe bei ca. 200°C, welche üblicherweise der Umwandlung von Epoxy-Gruppen zugeordnet wird deutlich schwächer ausgeprägt als in unfunktionalisiertem EG, was auf eine Reaktion zwischen den Epoxygruppen in EG und der Valeriansäure hindeutet (
Ausführungsbeispiel 10
Elektrochemische Exfolierung von Graphen und direkte Funktionalisierung mit AminenElectrochemical exfoliation of graphene and direct functionalization with amines
Die Graphitexfolierung wurde in einem Zwei-Elektrodensystem durchgeführt, wobei Graphitfolien (2 cm×3cm, 100 mg pro Folie) (Alfa Aesar, 99.99 % Reinheit) als Arbeitsanoden und Goldfolien derselben Maße als Kathoden genutzt wurden. Die Goldelektroden wurden parallel zu den Graphitelektroden mit einem festen Abstand von 2 cm angeordnet. Der Elektrolyt für die Exfolierung wurde durch Lösen von Ammoniumsulfat (0,1M, 0,93g) in 70 ml entionisiertem Wasser hergestellt. Nachdem die Elektroden in den Elektrolyten getaucht wurden (6 cm2 aktive Elektrodenfläche im Elektrolyten) wurde ein konstantes Potential von 10V angelegt um den Exfolierungsprozess zu starten.The graphite finish was carried out in a two-electrode system using graphite foils (2 cm x 3 cm, 100 mg per foil) (Alfa Aesar, 99.99% purity) as working anodes and gold foils of the same dimensions as cathodes. The gold electrodes were parallel to the graphite electrodes with a
Nachdem die Exfolierung abgeschlossen und die Graphitfolie verbraucht war, wurde Butylamin (100 mg, 1,37 mmol, Sigma-Aldrich, 99,5% Reinheit) zum Elektrolyten zugegeben und die Mischung für 5 min in einem Ultraschallbad homogenisiert und anschließend 30min gerührt. Im Anschluss wurden die suspendierten Graphenflocken über einen 0.2 µm PC (Polycarbonat) Filter abgetrennt und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Der Waschprozess wurde dreimal wiederholt (3×400 mL) um etwaige Rückstände wie Ammoniumsulfat und Pyrrol auszuwaschen. Anschließend wurde das dunkelgraue Produkt (60 mg) mittels milder Ultraschallbehandlung (30 min Ultraschallbad) in entionisiertem Wasser (30 ml) dispergiert. Diese Dispersion wurde 24h stehen gelassen um nicht exfolierte, nicht funktionalisierte Plättchen und größere Partikel sedimentieren zu lassen. Im Anschluss wurde der Überstand abgenommen. Die so erhaltene wässrige Dispersion enthielt Graphen in einer Konzentration von 0,1 mg/ml und war über eine Woche stabil.After the exfoliation was completed and the graphite foil was consumed, butylamine (100 mg, 1.37 mmol, Sigma-Aldrich, 99.5% purity) was added to the electrolyte and the mixture was homogenized for 5 min in an ultrasonic bath and then stirred for 30 min. Subsequently, the suspended graphene flakes were separated on a 0.2 μm PC (polycarbonate) filter and washed with deionized water. The washing process was repeated three times (3 × 400 mL) to wash out any residue such as ammonium sulfate and pyrrole. Subsequently, the dark gray product (60 mg) was dispersed in deionized water (30 ml) by mild sonication (30 min. Ultrasonic bath). This dispersion was allowed to stand for 24 hours to sediment non-exfoliated non-functionalized platelets and larger particles. Subsequently, the supernatant was removed. The aqueous dispersion thus obtained contained graphene at a concentration of 0.1 mg / ml and was stable for one week.
Die erfolgreiche Funktionalisierung konnte mittels TGA nachgewiesen werden. In
Ausführungsbeispiel 11
Funktionalisiertes Graphenpulver als Kathodenadditiv in Lithium-Ionen-BatterienFunctionalized graphene powder as cathode additive in lithium-ion batteries
Funktionalisiertes Graphen (EG-SPANI) wurde in einer Lösungs-Mischmethode als Leitadditiv zu typischen Kathodenmaterialen wie LiFePO4 und LiCoO2 gegeben und so Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien hergestellt.Functionalized graphene (EG-SPANI) was added as a conductive additive to typical cathode materials such as LiFePO 4 and LiCoO 2 in a solution-mixing method to produce electrodes for lithium-ion batteries.
Dazu wurde die nach Ausführungsbeispiel
Bei einer konstanten Stromrate von 0,1 C (1C=170 mAh/g) zeigte das Material eine Lade- und Entladekapazität von 120 mAh/g (
Ausführungsbeispiel 12
Funktionalisiertes Graphen als freistehende Elektrodenfilme SuperkondensatorzellenFunctionalized graphene as freestanding electrode films Supercapacitor cells
Freistehende Filme aus funktionalisiertem Graphen (EG-SPANI) wurden als Elektrode in einer 3-Elektroden Superkondensatorzelle, mit Platindraht als Gegenelektrode, AgCI als Referenzelektrode und 0,1 M Schwefelsäure als Elektrolyt eingesetzt. Die funktionalisierten Graphene zeigten eine gute Kapazität von bis zu 312 F/g, während unfunktionalisiertes EG eine Kapazität von weniger als 20 F/g aufwies (
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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